WO1998030892A1 - Modular sensor system for the industrial process measurement technique - Google Patents

Modular sensor system for the industrial process measurement technique Download PDF

Info

Publication number
WO1998030892A1
WO1998030892A1 PCT/IB1998/000044 IB9800044W WO9830892A1 WO 1998030892 A1 WO1998030892 A1 WO 1998030892A1 IB 9800044 W IB9800044 W IB 9800044W WO 9830892 A1 WO9830892 A1 WO 9830892A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
module
selective
measurement
layer structure
technology
Prior art date
Application number
PCT/IB1998/000044
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Ursula Spichiger-Keller
Jürg MÜLLER
Original Assignee
Eidgenössische Technische Hochschule Zürich
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Eidgenössische Technische Hochschule Zürich filed Critical Eidgenössische Technische Hochschule Zürich
Priority to AU79952/98A priority Critical patent/AU7995298A/en
Priority to DK98900040T priority patent/DK0953150T3/en
Priority to DE59806935T priority patent/DE59806935D1/en
Priority to EP98900040A priority patent/EP0953150B1/en
Priority to US09/341,481 priority patent/US6409909B1/en
Publication of WO1998030892A1 publication Critical patent/WO1998030892A1/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/18Water
    • G01N33/1893Water using flow cells
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483Physical analysis of biological material
    • G01N33/487Physical analysis of biological material of liquid biological material
    • G01N33/49Blood
    • G01N33/4915Blood using flow cells

Definitions

  • the present invention relates to process measurement technology, in particular a sensor system for process measurement technology, which enables the continuous and selective acquisition of various measurement parameters.
  • FIA Flow Injection Analysis
  • the known sensor systems are exclusively defined and specified by using either potentiometric or voltammetric (electrochemical measurement of the change in the oxygen partial pressure) or amperometric or optical measurement technology.
  • the company YSI (2700 SELECT) offers a measuring device with biosensors for continuous process measurement technology.
  • the sensor elements are in a miniaturized measuring chamber, in which the examination material is filled in and extracted again.
  • the amperometric or voltammetric systems include the biosensors and miniaturized modified electrodes such as "glassy carbon” or "carbon paste” graphite electrodes [cf. Kalcher, K .; Kauffmann, J.-M .; ang, J .; Svancara I .; Vytras, K; Neuhold, C.
  • selectivity principles based on recognition molecules, e.g. selective ligands, or effective principles of selectivity, which are based on distribution equilibria, are known [Fluka catalog "Selectophore®", 1996].
  • Some of these selectivity principles, e.g. the magnesium, nitrite, heavy metal selective ligands and layers have been significantly further developed [Schaller, U .; Bakker, E .; Spichiger, U.E .; Pretsch, E.
  • Substance-selective ligands are dissolved in the bulk of a layer.
  • This layer or membrane often provides satisfactory selectivity only after careful optimization of the bulk medium, for example the bulk composition. If such a layer is incorporated into pre-existing sensor elements by pouring, gluing, photopolymerization, etc. polymerization processes often have to be taken into account with a considerable loss of selectivity or sensitivity.
  • biosensors voltage or amperometric determination of the change in the oxygen partial pressure, for example according to 01sons, L. et al., Anal.Chim. Acta 224 (1) (1989) 31 ff
  • lactate lactate
  • Glucose peroxide
  • glutamate glutamate
  • creatinine implemented together with ion-selective electrodes.
  • These combinations are based on miniaturized sensors based on solid derivatives or semiconductor elements of the ISFET / ENFET type (ion-selective, enzymatic field-effect transistors), in which the conductivity or. Potential change over the semiconductor element is detected.
  • ISFET / ENFET type ion-selective, enzymatic field-effect transistors
  • WPIDS World Patents Index No
  • WPIDS 93-213750 describes the optical measurement of blood hemoglobin content (measuring of blood hemoglobin content).
  • the aim of the present invention was therefore to provide a measuring system, in particular for continuous process measurement technology, which does not have the disadvantages of known sensor systems and sensors and which is particularly characterized by great flexibility and robustness.
  • the desired goal was achieved by providing a continuous, modular, especially multi-dimensional, and robust measuring system that is ideally operated without reagents, as well as by providing special modular sensor elements and detection systems suitable for such sensor elements.
  • a continuous measuring system based on sensor elements requires that these sensors work reversibly or within the desired reaction time, that is, that their signal resp. continuously adjusts the generated measurement variable to the briefly changing properties of the specimen.
  • the measuring system can enable continuous measurement both in batch and in flow.
  • modular means that the individual sensors and sensor groups / types / methods are implemented as sensor elements in individual modules and can be combined as such.
  • the different sensor elements can be implemented, for example, in rod-shaped modules, for example for reactor technology. Such modules are particularly suitable for flow. Characteristic, suitable dimensions of these modules can also be used to combine different measurement methods in the same measurement system.
  • Multi-dimensional denotes the property of the measuring system that several sensors or sensor elements or measuring methods are combined and thus several substances can be determined in series or in parallel.
  • Two methods ie two different types of modules, can also provide independent, ie orthogonal information about the same substance and thus increase operational safety (for example an optical and a potentiometric or an optical and an amperometric module).
  • a module can also contain only one half cell or a reference element of a sensor element or more than one sensor or derivation element. In the following - where a specification is necessary - a module that serves the measurement itself, be it a half cell or a complete element is called a measuring module, while the reference element or the reference half cell is referred to as the reference module. - robustness
  • Robustness is generally understood to mean the low dependence of the generated measurement variable on small changes in the parameters of the measurement system or the low susceptibility to interference of a measurement technology or the measurement system, which can also include long-term stability.
  • the robustness can be further improved by automating the measurement technology and by automated recalibration.
  • the target substance or analyte is the substance or a group of substances / class of substances that is used to obtain (physico-chemical) information. This information will generally serve to quantify the substance in its medium and provide quantitative information, which is followed by a decision making.
  • the chemical sensor element or a group of sensor elements is in a position between the target substance or. a group of
  • the selectivity principle or the recognition step and the transduction step form a successive unit.
  • the layer structure can consist of a single layer or several layers, including auxiliary layers with defined functions.
  • Selectivity principle consisting of: recognition step; Distributional balance; Partition; Recognition component; free of reagents
  • the detection step leads to the typical selectivity of each individual sensor or sensor module.
  • the selectivity principle can be based on distribution equilibria / partition and / or typical chemical interactions between the target substance and at least one recognition component.
  • the layer structure contains the essential components of chemical detection.
  • the selectivity principle is usually reversible or can be regenerated according to the timing of the continuous measuring system. The combination of these steps can be referred to as a selective recognition device.
  • a transduction step is a step or a sequence of steps that induces or induces. triggered by the selective recognition step or the selectivity principle, which causes the formation of a generally quantifiable measurement variable.
  • the formation of the measurand is the result of the recognition step with its typical selectivity principle and the subsequent transduction step.
  • the measurand can already change as a result of the create a change in the distribution equilibrium based on the selectivity principle (potentiometry, IR spectroscopy) or by coupling auxiliary substances (eg indicators) to the detection step.
  • the measurement variable After being derived and possibly amplified on a data acquisition and processing system, the measurement variable leads to the formation of information about the target substance or a group of target substances.
  • the measured variable often has to be compared with a reference variable in order to obtain greater certainty.
  • the information can consist of qualitative but mostly quantitative information, but also evaluation or Classification criteria included.
  • the modular system according to the invention for the continuous, reagent-free determination of a substance is characterized in that it has at least two measuring modules of the same or different module types for the simultaneous acquisition of at least two pieces of information, each module containing at least one interchangeable selective layer structure and a discharge device, the Layer structure enables a selective detection step and allows continuous measurement.
  • different module types are combined, for example at least one ion-selective module and at least one module of another module type, etc.
  • 1 module can contain a reference system.
  • the reference system differs from the measuring module in that it does not contain a selectivity principle or in that the selectivity principle is not active.
  • the present invention further relates to a method for the continuous determination of a substance, the use of the system and modules and recognition components which are suitable for use in the measurement system. Special embodiments are described in the subclaims.
  • Reversible and quickly regenerable chemical sensors are characterized by the possibility of continuously measuring a target component, the substance.
  • a target component the substance.
  • FIA Flow Injection Analysis
  • the FIA uses traditional chemical reactions using reagents. The process is characterized by a highly developed but cost-intensive fluidics system.
  • the measuring system according to the invention is distinguished by maximum flexibility, freedom from reagents and robustness with regard to the nature of the test material and with respect to the continuous long-term measuring technology. Therefore it can also be used for the determination of gases and volatile substances.
  • the advantages according to the invention can be further improved by automation.
  • the flexibility is achieved in that in principle all known sensor types can be implemented; in particular, potentiometric and / or voltammetric measuring techniques can be combined with at least one other measuring technique, for example a perometric and / or optical. The combination of such different measurement techniques enables the provision of the broadest information about one or more target substances.
  • the selective layer structure which is characteristic of each module and in which the recognition and transduction step preferably takes place, forms the heart of the sensor element.
  • the robustness of the sensor element is guaranteed by the optimization of the layer structure, by the reference formation, the automation, by the construction of the module and the modular structure.
  • Layer structure is interchangeable; it is interchangeable among a variety of available layers and, according to a limited life, interchangeable.
  • the principle of selectivity, the selective layer structure can be packaged on a carrier and traded in different sizes.
  • a carrier can already exist in the lead system (e.g. planar waveguide, planar or rod electrode, optical fiber, resonator, SAW chip).
  • the interchangeable selectivity principle can then be referred to as a chemically active chip.
  • the chemically active chip or chemochip is an essential element of the measuring system.
  • one of the essential features is that not only different sensors but also different types of sensors are connected to one another as independent modules in series or in any other arrangement.
  • the series connection is preferred for flow measurement (optimal throughput of specimen).
  • Parallel connection is preferred for the measurement of test material that has to be conditioned in different ways (pH, ionic strength, temperature etc.).
  • a module contains all the elements necessary for the selectivity principle, the recognition step, the transduction step, the formation of the measured variable and the derivation. It is due to its robustness several times. can be used continuously over a long period of time.
  • the principle of selectivity, the analyte-selective Layer due to the special type of implementation, eg for sterile or aseptic measurement technology, can be calibrated from the side where the lead is introduced. This is possible because the conductor element is not necessarily inseparably connected to the selective layer structure.
  • the individual module works without reagents.
  • reagent-free means that no auxiliary substance is used as the reagent that enables the chemical detection reaction in addition to the selectivity principle.
  • the modules according to the invention thus differ greatly from FIA technology and related continuous measurement systems. Buffering, addition of co-substrate or other conditioning agents are not referred to as reagents and are therefore not excluded by the term reagent-free.
  • a single module can also consist of only one half cell, another can then be the reference system, which is also robust due to its (buffer) capacity and therefore long-term stable.
  • the combination of various independent sensor modules with different functional principles to form a measuring system is known as a multidimensional or multidimensional system.
  • Each module can be independent of the other and make an optimal orthogonal contribution to the final information about the substance (s).
  • the harvest for the user is that he no longer has to selectively select the measuring technology, but only determines which analytical parameters or target substances (target co pounds) he needs information about and which analytical specification (analytical performance) he knows to meet want. He can then leave it up to the provider, for example, to decide which measurement techniques, ie sensor modules, should preferably be combined under these circumstances. The same applies to deciding how many measurement techniques and modules to use are to be combined in order to achieve the specified specifications and the best possible operational reliability.
  • optical measurement technology is characterized by its simplicity and fast response for measuring the dissolved oxygen (the partial pressure in solution in solution) and is therefore suitable for modular sensors and. Sensor systems according to the present invention is particularly suitable.
  • optical measurement technology is a good alternative to electrochemical sensors.
  • Optical measurement technology is also possible for measurements of sodium, potassium and calcium, nitrite and chloride activity as well as numerous uncharged target components and substrates such as alcohols, amines, glucose, moisture, lactate, etc. Gases such as NO x , SO2, NH3 including directly in the specimen.
  • reference materials for determining the molar activity of ions for example for quality assurance, can be produced.
  • aqueous solutions of lyophilized blood plasma or serum can be used as reference material.
  • FIG. 1 shows an inventive, three-dimensional system for continuous process measurement technology with a potentiometric, an am- perometric and an optical selective sensor element in longitudinal section.
  • FIG. 2 shows a section perpendicular to the longitudinal axis of the system from FIG. 1 through a potentiometric element with an exchangeable ion-selective membrane
  • FIG. 3 shows a section perpendicular to the longitudinal axis of the system from FIG. 1 through an amperometric module according to the invention with a biosensor element
  • FIG. 4 shows a section perpendicular to the
  • FIG. 5 shows a section perpendicular to the longitudinal axis of a system corresponding to FIG. 1 through an optical module according to the invention with a diode element
  • FIGS. 6A and 6B illustrate the reaction path of hypoxanthine analysis, wherein
  • Figure 6A shows the oxidation step
  • Figure 6B the reduction step.
  • the individual module I, II, III, 13, which is suitable for use in the system according to the invention, consists of the body of module 3, 4, which consists of e.g. Plastic is made (see Figure 1).
  • the body comprises an interchangeable, selective layer structure 8 and a discharge device 12, and preferably a channel 9 or a hose for the continuous or stop-flow transport of sample or specimen and for the continuous measurement.
  • the body thus comprises the sensor field, where the selective layer structure or the selective detection device
  • the transduction step where the detection step is converted into a measurement variable, which is then derived via the discharge device 12 (e.g. inner electrode, optical fiber, detector diode, amplifier and wire for the discharge of the electrical current) and is optionally compared with a reference quantity.
  • the discharge device 12 e.g. inner electrode, optical fiber, detector diode, amplifier and wire for the discharge of the electrical current
  • the module can be produced in the appropriate size, preferably in the centimeter to micrometer scale.
  • the individual module can form an independent chemical sensor element or consist in a half cell (e.g. potentiometry), in which case a second module preferably contains the other half cell.
  • Modules can be connected to each other as required and in any arrangement (e.g. connected in series or in parallel). Different modules differ in the recognition and / or transduction step for which one module is designed and by which one module differs from the other. Modules with the same
  • Module types that differ by different measuring principles and thus provide different, independent dimensions of the information about the substance (but are implemented according to the same basic principle) are, for example:
  • This comprises at least one component which effects the selectivity of the sensor element, ie allows the preferred detection of the target substance or a group of target substances compared to accompanying substances.
  • the selectivity can be brought about by molecular recognition of the target substance or by the partition of the substance between the sample / speci en and the sensor element (through a distribution equilibrium).
  • the selective layer structure can contain auxiliary substances which are necessary for the formation of the layer and / or support, catalyze and / or reduce the influence of interference, as well as optionally a further tere component, which is responsible for the transduction step.
  • the layer structure includes the possibility of combining the selective layer with auxiliary layers, which, for example, ensure biocompatibility [cf. Wintermantel, E .; Ha SW.
  • the layer structure can contain both more or less lipophilic / apolar as well as more or less hydrophilic / polar layers as well as micelles or reverse micelles.
  • Such layer structures for optical sensor elements have already been described in Vaillo, E .; Walde, P .; Spichiger, UE; Analytical Methods and Instrumentation, AMI, 2/3 (1995) 145-153.
  • the washing out of components into the sample / specimen is prevented, for example, by high lipophilicity of the components in the case where there is an aqueous sample / an aqueous specimen [cf. Dinten, 0 .; Spichiger, UE; Chaniotakis, N.; Gehrig, P .; Rusterholz, B .; Morf, WE; Simon, W. Anal. Chem. 63 (1991) 596-603 for optical and potentiometric sensors] or by immobilizing individual components.
  • the selective layer structure is inventively neither with selectivity or sensitivity-reducing processes are still glued in by means of such processes, but rather, if possible, transferred to a system in their "native" form, ie in the form in which it results from the manufacturing process.
  • the sealing then takes place solely via the elasticity of the materials, in particular the layer structure.
  • this is possible in that the layer structure is only connected to the sensor module (for example by coating the diverter / the diverter element) or inserted into the module but not changed or processed any further becomes. This ensures the greatest possible selectivity or Sensitivity reached.
  • the selective layer structure can be on a suitable support e.g. on a planar waveguide, on an optical fiber, on a reflective one
  • Layer applied on a diffusion barrier or inlaid in a carrier and also offered as a layer structure and used in a module.
  • Such layers are generally referred to in specialist circles as “disposable layers” or “disposable waveguides with target-analyzed selective layers”).
  • a sensor element When a sensor element is used up, either only the selective element, the layer structure, but also parts of the module or the entire module can be replaced.
  • the individual module or a set is preferably designed so that it can be thermostatted so that it is quickly ready for measurement when installed.
  • At least one component of the layer structure has the effect that a target substance or a substance class is recognized by the sensor, in preference to accompanying substances, and leads to the formation of a measurement variable.
  • the selective detection can be induced by a distribution equilibrium of the substance in favor of the layer structure or by a defined chemical interaction, complex formation, reversible chemical reaction, between the target substance and a recognition component or by a typical physical or spectral property.
  • recognition components are, for example, enzymes, receptors, antibodies and their hybrids or fragments; Carbohydrates, lectins, lipids, peptides, proteins and their hybrids or fragments; synthetic ligands, hydrogen bond formers, inclusion compounds, solubilizates, micelles, reverse micelles, liposomes, associates, complexes, organometallic complexes, reaction products te; Carriers, ionophores, reactants and chromophoric reactants, chromoionophores, redox dyes, electron donors and acceptors, "charge transfer" compounds, pH indicators, components for energy and charge transfer; Macromolecules, organs, organelles, microorganisms.
  • the detection step can be facilitated by catalysts and other auxiliary substances (plasticizers as solvents, polymers and ions). to be favoured.
  • the target substance or substance class covers a very broad spectrum of substances. Examples are: Use of the system according to one of claims 1 to 5 for the determination of inorganic and organic ions, charged, uncharged or neutral molecules, salts, isotopes, radicals, cells or cell components, organisms, microorganisms, viruses, organelles, or receptors in the test material.
  • the at least one transduction step leads to the formation of a measurement variable as a result of a physico-chemical event or via the coupling of a second chemical transduction process.
  • the transduction step can also combine and combine more than one of the principles.
  • the transduction step is, for example, the formation of an interface potential in the sequence of the detection step / distribution equilibrium.
  • Other examples are: the generation of an electrical current as a result of a redox process, spectral or frequency changes, the changes in resistance or conductivity, the absorption or luminescence intensity, the polarity, the optical strain, the capacitance, or the change the mass, the number of particles or quantum yields as a result of the recognition step, etc.
  • the measurement variable consists in a counting result, in the quantification of the absorption, absorption change in the bank, emissions or frequency, in the change of the current (I), the potential (EMF) or the conductivity ( ⁇ ), in the change of the mass (m), the temperature (T), the decay time (t) or the service life (tiim), etc. -
  • I current
  • EMF potential
  • conductivity
  • m mass
  • T temperature
  • tiim decay time
  • Figure 1 shows the arrangement of a measuring system (flow) with four modules I, II, III and 13, a potentiometric I and an amperometric II sensor module each designed as half cells, a module with the reference element 13 (second half cell), and an optical module III .
  • the modules are arranged with the derivative 12 transversely to a carrier 1. They are tightly fixed by screws 5, 6 arranged parallel to the support 1.
  • the flow channel 9 for the sample / specimen of an individual module meets exactly that of the neighboring module and is sealed against leakage by a rubber ring.
  • the ion-selective layer is placed on a sensor field and is in contact with the sample / specimen via the sample channel 9 open at this point (see FIGS. 1 and 2).
  • the module is thermostatted with water 7; however, a Peltier element can also be installed or, if desired, the entire system can be thermostatted with air.
  • Base part 3 and head part 4 can, for example, be produced independently of one another and, after the layer structure 8 has been introduced, can be joined / closed using a fastening element, for example screws 15.
  • the head part 4 contains the sensor element with the layer structure 8 and the body of the discharge device 14, respectively.
  • This head part 4 is preferably designed in such a way that only the placement by sensor elements does not significantly change the plastic construction. In this way, the head and base part can be produced in large numbers and thus cost-effectively. This also ensures the interchangeability of the modules and thus the flexibility of the system.
  • the amperometric module Mediated biosensor electrodes
  • an amperometric biosensor module type can be constructed according to the same construction plan as the potentiometric module (cf. FIGS. 1 and 3).
  • the ion-selective layer structure 8 of the potentiometric (ISE) module is replaced by the layer structure 8 of the biosensor.
  • the diverting element 12 here preferably consists of a platinum wire, which resp. In direct contact with the layer structure. the "paste” is there.
  • the "paste” contains the desired enzyme as a recognition component, and preferably TTF / TCNQ (tetrathiafulvalene-p-tetracyanoquinone dimethane) as mediators and a bulk medium, for example silicone oil.
  • TTF / TCNQ tetrathiafulvalene-p-tetracyanoquinone dimethane
  • the paste can be inserted into the head part 4, for example in the form of a tablet of adapted viscosity or together with a carrier (for example made of polyolefin), placed on the sensor field or introduced connected to the exchangeable lead electrode 12.
  • the sample channel 9 forms the counterelectrode in zones.
  • it consists of a platinum tube in zones.
  • the reference module 13 remains the same as with the potentio etric module type. It preferably consists of a "free-flow free-diffusion" electrode, as described (non-modular) in Dohner, R .; Wegmann, D .; Morf, WE; Simon, W. Anal. Chem. 58 (1986) 2585-2589. In continuous operation, this electrode has proven to be extremely robust and low in interference.
  • the optical sensor module includes
  • optical sensors can also be used for continuous, robust measurement technology.
  • the structure of a module according to the invention is as follows:
  • the optical sensor module is in turn designed so that only the sensor elements
  • a disposable element should preferably be used as the waveguide, on which the layer structure is, for example, grown or at least one selectivity principle is implemented / coupled.
  • the waveguide can simultaneously enable the transduction step and be responsible for the derivation as a derivation device 12.
  • Waveguides can be coated grating couplers, for example, which are applied to the sensor field, the selective layer structure 8, or are inserted / installed in the head part 4.
  • the measurement variable for optical sensors can, for example by measurements of the absorption / absorbance in ATR mode (attenuated reflection) [cf.
  • the light energy can be radiated in from outside the module via an optical fiber or other optical waveguide or the light source can be integrated into the head of the module by the implementation of diodes (emission diode 17, LED).
  • a detector diode 16 can also be integrated in the head of the module (cf. FIG. 5).
  • the discharge device 12 is, for example, an electrical cable.
  • the layer structure 8 and the diverter 12 can be separated, i.e. individually exchangeable. This optimizes the versatility of the system and minimizes costs. Due to the similar structure of the modules, they can be optimally combined so that they enable the simultaneous and continuous measurement of various parameters in the sample.
  • Potentiometry Detection components that are especially suitable for potentiometry are selective complexing agents. Some are described in more detail below.
  • magnesi selectively complexing agents ETH 3832 and ETH 5506 have proven to be by far the most effective ligands [cf. Spichiger, U.E .; Rumpf, G .; Haase, E .; Simon, W .; Switzerland .Med.Wschr. 121: 1875-1879 (1991); Spichiger U.E., Electroanalysis 5 (1993) 739-745]. However, their optimal selectivity is linked to an optimized composition of the layer or membrane [cf. Spichiger U.E .; Eugster, R.; Citterio, D .; Li, H .; Schmid, A. and Simon, W.
  • KTpClPB potassium tetrakis [3,5-bis (trifluoromethyl) phenyljborate
  • the ligands are described in Spichiger UE; Eugster, R .; Citterio, D .; Li, H .; Schmid, A. and Simon, W. (1993), Magnesium activity measurements: facts and enthusiasm, In: Golf, S .; Dralle, D .; Vecchiet, L. (Ed.), Magnesi around 1993, John Libbey & Co Ltd., pages 49- 60 and 0 'Doneil, J .; Hongbin, L .; Rusterholz, B .; Pedraz- za, U .; Simon, W .; Anal. Chim.
  • the components are dissolved in a volatile organic solvent (for example THF, chloroform, methylene chloride, cyclohexanone and mixtures).
  • a volatile organic solvent for example THF, chloroform, methylene chloride, cyclohexanone and mixtures.
  • the selective layer is according to Oesch, U.; Brzozka, Z .; Xu, A.; Rusterholz, B .; Suter, G .; Pharm, HV, Welti, DH; Ammann, D .; Pretsch, E .; Simon, W .; Anal.Chem. 58 (1986) 2285.
  • the layer / membrane can be coated, for example, with a polyurethane preparation dissolved in THF. To do this, the membrane is left to dry on a glass plate.
  • the glass plate for example with a diameter of 1.8 cm, is fixed on a disk rotating at 600-1000 rpm.
  • 0.5-1.0 ml of a solution with 0.3-3.0% by weight of polyurethane e.g. Tekoflex EG-80A, EG-85A (Thermedics, Woburn)
  • Tekoflex EG-80A, EG-85A Thermedics, Woburn
  • a layer structure with advantageous properties is created.
  • the advantage of this treatment is that a surface that is robust against adsorption from the biological sample is created without significantly changing the properties of the selective layer or its response time. Any change in the composition can lead to a partial loss of selectivity and sensitivity.
  • the methylated adamantylamine was continuously refluxed with the malondimethyl ester to give the adamantyl-methyl-malondiamide.
  • the product precipitates from the mother liquor and can be filtered off (80% yield). Unreacted adamantyl methylamine can easily be isolated again.
  • the building block 1-adamantyl-methyl-malonmonoamide activated as 4-nitrophenyl ester is obtained in 40% yield over both stages.
  • Lipophilic 19-di- and trithiacrown-6 isologues as PbOH + -selective ligands were developed for the determination of lead in drinking water, groundwater and waste water.
  • Previously developed ligands showed copper selectivity, which before the analysis of water samples was insufficient and the selective analysis of lead ions did not allow [cf. Lerchi, M .; Bakker, E .; Rusterholz, B .; Simon, W. Anal. Chem. 64 (1992) 1534 ff .; CTI project No. 2692.1; EUREKA project "ASREM" EU 1013].
  • Ligands 18, 18-bis (dodecyloxymethyl) -1,4, 13, 16-tetraoxa-7, 10-dithiacyclononecane (5) and 18, 18-bis (dodecyloxymethyl) -1, 7, 10 , 16-tetraoxa-4, 13-dithiacyclononadecane (7) were synthesized and into classic ion-selective PVC membranes with ethyl hexyl sebacate (DOS) or dibutyl sebacate (DBS) as plasticizers and 30 mol% potassium tetrakis [3, 5- bis (trifluoromethyl) phenyl] borate.
  • DOS ethyl hexyl sebacate
  • DBS dibutyl sebacate
  • the selectivity patterns of the two ligands were determined potentiometrically using the IUPAC separate solution method. They are characterized by a discrimination of copper ions by a factor of 10 ⁇ 5 « 8 and by a discrimination of alkali ions by a factor of ⁇ 10 -3 (molar concentration units).
  • the significant influence of the plasticizer or the medium, the environment, can also be observed here.
  • Preferred plasticizers respectively.
  • Media are ETH 8045, ETH 220 [described in Eugster, R .; Rosatzin, T .; loc. p. 26, line 27], bis (2-ethylhexyl) adipate (Fluka Chemie AG, Selectophore).
  • N, N-disubstituted-aminophenyl-4 '-trifluoroacetyl-azobenzenes N, N-disubstituted-aminonaphthalene-4' - trifluoroacetyl-azobenzenes
  • 4-trifluoroacetyl-4 '- (N, N-disubstituted-amino) stilbene and disubstituted -p-amino-trifluoroacetylstilbenes such as, -dioctylamino-phenyl-4 '-trifluoroacetyl-azobenzen, N, N-dioctylamino-naphtalin-4' -trifluoroacetyl-azobenzen, 4-trifluoroacetyl-4 '- (di- N-octylamino) stilbene and p-dialkylamino-trifluoroacetyl
  • the chromophoric reactants can be covalently bound, for example, to acrylate and methacrylate and immobilized in polymer membranes. Remarks
  • nitrite-selective membrane with Chromoionophore VI as an indicator shows a luminescence emission in the visible range of the spectrum and can therefore also be used as a luminescence-active layer.
  • ligands have preferred fields of application, but they can generally be used in optical, potentiometric and any other systems as a selectivity principle, if appropriate in combination with other layers, if necessary also for the determination of gases and volatile substances.
  • Ru (II) complexes with organic ligands especially Ru (II) - (4, 7-diphenyl-l, 10-phenantroline) 3 complexes have been introduced in the past few years for the determination of the oxygen partial pressure in solution.
  • the Ru (II) complex serves simultaneously as a recognition and transduction component. This takes advantage of the fact that the luminescence emission of the complexes is quenched by 02, i.e. is suppressed. The excitation takes place at 470 nm, the emission maximum is at 607-624 nm depending on the environment / bulk of the layer.
  • the known Ru (II) complexes despite their association with organic ligands, are very hydrophilic and can therefore hardly be dissolved in an apolar layer. This was only possible by introducing lipophilic groups on the phenyl radical, for example by alkylating the phenyl radical in the 'position.
  • propyl to dodecyl, particularly preferably propyl to octyl, very particularly preferably propyl to heptyl derivatives are suitable indicators of dissolved oxygen in apolar membrane surroundings. Washing out can be further slowed down by ion pair formation with lipophilic anions or immobilization.
  • Such complexes can be produced in 3 steps according to Scheme 4 and the subsequent cleaning process.
  • Chloropropionic acid chloride the preparation of 4,7-bis (4'-heptylphenyl) -1, 10-phenanthroline [according to Lund, GK, Holt, SL, J. Chem. Eng. Data, 26 (1981) 277 ff.] From 1,2-phenylenediamine and 4-heptyl-ß-chloropropiophenone, and the preparation of the ruthenium (II) complex, Ru (II) [- 4,7- bis (4 ' -heptylphenyl) -1, 10-phenanthroline] 3 [according to Wolfbeis, OS, et al., Anal. Chem. 60 (1988) 2028 ff.] From 4,7- bis (4'-heptylphenyl) -1, 10-phenanthroline and RUCI3.
  • the excitation in modules according to the invention is preferably carried out via a waveguide or a diode in the head part of the sensor module.
  • the luminescence emission is derived in the same way.
  • the measurement variable or the measurement signal is formed by changing the emission intensity at 607 to 624 nm. This measured variable is compared with the signal of a solution with a known 02 ⁇ partial pressure, which leads to information about the target substance.
  • the lifetime of the luminescence emission in plasticized polymers was also examined. This showed good results.
  • the measurement of the decay time is particularly suitable for the implementation of calibration-free systems. Complexes of the ligands mentioned with lanthanides (e.g. Eu, La) lead to further attractive compounds with an extended lifespan for measuring the luminescence decay time.
  • Ru (II) complexes in the organic phase of reverse micelle systems [cf. Vaillo et al, AMI 2/3 (1995) 145-153] leads to simple and direct indicator layers for the determination of the activity of oxidases (e.g. for lactate, glutamate, glucose oxidase, hypoxanthine, peroxidase) e.g. about oxygen consumption.
  • oxidases e.g. for lactate, glutamate, glucose oxidase, hypoxanthine, peroxidase
  • Part of the selective layer structure of an amperometric biosensor is e.g. a paste which contains an organic mediator as an electron transfer catalyst and according to Korell, U .; Spichiger, U.E. Electroanalysis 6 (1994) 305-315; Korell, U .; Spichiger, U.E. Anal. Chem. 66 (1994) 510-515 can be produced.
  • the redox-active enzyme is introduced into the "paste” and shows an optimal lifespan in this environment.
  • the bulk of the "paste” serves as a reservoir from which active enzyme can be supplied.
  • the "paste” can be introduced into the recess provided for this purpose in the head part of the sensor module (see FIGS. 1 and 3).
  • the surface forms the sensor field where the sample and the selective layer structure are in contact with each other.
  • the paste is preferably highly viscous to elastic, so that it is present directly as a tablet, or it is brought into exchangeable tablet form by means of a carrier.
  • the paste can also be printed on a carrier material (preferably the electrode material) for mass production and piece by piece as a selective layer structure be used for the assignment of the sensor field.
  • silicone oil instead of silicone oil, other bulk materials (see potentiometric ion-selective membranes) can be used.
  • an auxiliary for example a polymer such as PVC, is introduced into the silicone oil.
  • a phosphate-selective sensor it could be shown that it is also possible to produce a bienzymatic layer in which two enzymes are introduced into the same layer [cf. Müller, JP; Development of a phosphate-sensitive bienzymatic-amperometric biosensor. Diploma thesis ETHZ, 1994].
  • the phosphate-selective sensor element contains 1 part of TTF / TCNQ (tetrathiafulvalene-p-tetracyanoquinodimethane) manufactured according to Ferraris et al. [J. At the. Chem. Soc. 95 (1973) 948] in 1.6 parts of silicone oil.
  • this finely ground paste for example, 3.18% by weight xanthine oxidase (EC 1.1.3.2) and 4.35% by weight nucleoside phosphorylase (EC 2.4.2.1.) Correspond to 7.53% by weight total lyophilizate content mixed.
  • the paste is inserted into the recess (sensor field) provided for this purpose, a modular stick electrode and this is checked in the arrangement of a rotating disk electrode.
  • the paste is stored at -30 ° C. Before the electrode is calibrated and tested, it is conditioned for 16 h in a pH 7.0 buffer solution containing 50 mmol L ⁇ imidazole, 50 mmol L ⁇ l sodium chloride and 1.2 mmol L ⁇ l inosine.
  • a derivation device can be used to derive at least one measurement variable from a measurement module or a reference variable from the reference module to a device for processing the measurement variables, such that the measurement variable can be used for process control.
  • the information about the substance is obtained, for example as amount, concentration or. Change in concentration, as counting result, time, activity or active molality.
  • the system is suitable for the determination of inorganic and organic ions, charged, uncharged or neutral molecules, salts, isotopes, radicals, cells or cell components, organisms, microorganisms, viruses, organelles, or receptors and can be used in medical diagnostics and treatment, in the Dialysis and hemodialysis, in clinical analysis, in environmental technology, construction technology, clean room technology, waste water,
  • Groundwater and drinking water control in food technology and production, in agricultural technology, in particular in horssol culture technology, in food technology, in biotechnology and chemical process technology, in pharmaceutical research and production, in drug technology and drug control, as well as in textile technology and in detergent and cleaning and surfactant technology.
  • the selective layer structures can be in various thicknesses. Due to the interchangeability, they can easily be optimized for special applications.
  • the seal between layer structure and Test channel is usually done only through seals, for example made of plastic, and pressing the layer structure by means of the head part, respectively. Discharge element on this seal.
  • the use of selective layer structures means that it is possible to work without reagents. In many cases it will be necessary to dilute and buffer the specimen.

Abstract

A modular, in particular multidimensional system for the reagent-free, continuous detection of a substance is disclosed. The system is characterised by the presence of at least two measurement modules of preferably different types. The modules are robust and designed for long-time operation. They have an exchangeable or replaceable selective layer structure. The system may also include appropriate modules for amperometry and optical sensors.

Description

Modulares Sensorsystem für die Prozess- Messtechnik Modular sensor system for process measurement technology
Querverweis auf verwandte Anmeldungen Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der Schweizer Anmeldung 64/97, eingereicht am 14. Januar 1997, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme vollständig einverleibt ist.Cross-Reference to Related Applications This application claims priority from Swiss Application 64/97, filed January 14, 1997, the disclosure of which is incorporated by reference in its entirety.
Technisches GebietTechnical field
Die vorliegende Erfindung betrifft die Pro- zess-Messtechnik, insbesonders ein Sensorsystem für die Prozess-Messtechnik, das die kontinuierliche und selekti- ve Erfassung verschiedener Messparameter ermöglicht.The present invention relates to process measurement technology, in particular a sensor system for process measurement technology, which enables the continuous and selective acquisition of various measurement parameters.
Stand der TechnikState of the art
Es sind bereits Sensorsysteme bekannt und im Stand der Technik beschrieben.Sensor systems are already known and are described in the prior art.
Die bekanntesten Systeme für die kontinuierliche on-line Messtechnik sind die FIA-Systeme (Flow- Injection-Analysis) . Diese Systeme bestehen aus einem aufwendigen Fluidics-System mit Pumpen und Ventilen. Sie verwenden traditionelle analytische Bestimmungsverfahren mit Reagentien und mitunter Biosensoren oder Ionenselektiven Elektroden (ISE) am Ende des Fliesssystems als Detektoren.The best-known systems for continuous on-line measurement technology are the FIA systems (Flow Injection Analysis). These systems consist of a complex fluidics system with pumps and valves. They use traditional analytical methods of determination with reagents and sometimes biosensors or ion-selective electrodes (ISE) at the end of the flow system as detectors.
Die bekannten Sensorsysteme sind ausschliess- lieh definiert und spezifiziert durch die Verwendung entweder der potentiometrischen oder der voltammetrischen (elektrochemische Messung der Aenderung des Sauerstoff- Partialdruckes) oder der amperometrischen oder der optischen Messtechnik. Die Firma YSI (2700 SELECT) bietet ein Messgerät mit Biosensoren für die kontinuierliche Pro- zessmesstechnik an. Die Sensorelemente stecken in einer miniaturisierten Messkammer, in welche das Untersuchungs- material eingefüllt und daraus wieder abgesaugt wird. Die amperometrischen oder voltammetrischen Systeme umfassen die Biosensoren sowie miniaturisierte modifizierte Elektroden wie "glassy carbon" oder "carbon paste" Graphit- Elektroden [vgl. Kalcher, K.; Kauffmann, J.-M.; ang, J.; Svancara I.; Vytras, K; Neuhold, C . ; Yang, Z. Electroana- lysis 7/1 (1995) 5-22 (Review)]. Veröffentlichungen wurden insbesonders bezüglich Arrays (Serieschaltung von mehreren vom Funktionsprinzip her identischen Sensoren auf einer geometrisch definierten Sensorfläche) gemacht unter Verwendung von miniaturisierten Sensoren, sog. so- lid-contact Elektroden bzw. ISFETs (ion-selective field- effect transistors) [vgl . Schindler, J.G.; Schindler, M.M.; Herna, K; Reisinger, E . ; Kulmann, U.; Graef, R.; Lange, H. Biomed Tech 36/11 (1991) 271-280, 282-284. (HCA 116:136186.); van der Schoot, B.H.; Jeanneret, S . ; van den Berg, A. ; de Rooij, N.F. Sensors and Actuators B 15/1-3 (1993) 211-213; Hoffmann, .; Rapp, R. ; Ache, H.J.; Stolze, D.; Neuhaus, D.; Hofmann, D.; Freywald, K.H. Micro Total Anal. Syst., Proc. μ-TAS'94 Workshop Ist (1995) . in van den Berg, A. ; Bergveld, P. (Eds) . Dor- drecht: Kluwer, Netherlands]. Diesen Systemen fehlt einerseits die Robustheit (ruggedness) , insbesondere der Schichtstruktur und des Referenzsystems, andererseits die Flexibilität, um auf Neuentwicklungen reagieren zu können. Abhängig von der Fertigungstechnologie, sind sie zudem nur für eine begrenzte Auswahl resp. Typen selektiver Schichten optimierbar. Damit sind ihre Anwendungsmöglichkeiten eng begrenzt. Aenderungen von mikrostrukturierten Sensorplattformen lohnen sich kaum oder nur, wenn extrem grosse Stückzahlen hergestellt werden können. Andererseits werden die miniaturisierten Sensoren aufgrund ihrer unbefriedigenden Robustheit und Langzeitstabilität vorwiegend als "One-Way" Sensoren auf den Markt gebracht (i-STAT) . Dies induziert die Produktion von Abfall von kostbaren Materialien. Kontinuierliche Messysteme brauchen im allgemeinen die Möglichkeit einer Rekalibration um eine hohe Zuverlässigkeit der Resultate zu erzeugen. Allerdings wurden auch kalibrationsfreie Systeme bereits untersucht [Rumpf, G.; Spichiger, U.E.; Bühler, H.; Simon, W.; Anal . Sciences 8 (1992) 553-559)].The known sensor systems are exclusively defined and specified by using either potentiometric or voltammetric (electrochemical measurement of the change in the oxygen partial pressure) or amperometric or optical measurement technology. The company YSI (2700 SELECT) offers a measuring device with biosensors for continuous process measurement technology. The sensor elements are in a miniaturized measuring chamber, in which the examination material is filled in and extracted again. The amperometric or voltammetric systems include the biosensors and miniaturized modified electrodes such as "glassy carbon" or "carbon paste" graphite electrodes [cf. Kalcher, K .; Kauffmann, J.-M .; ang, J .; Svancara I .; Vytras, K; Neuhold, C. ; Yang, Z. Electroanalysis 7/1 (1995) 5-22 (Review)]. Publications were made in particular with regard to arrays (series connection of several sensors that are identical in terms of their functional principle on a geometrically defined sensor surface) using miniaturized sensors, so-called solid-contact electrodes or ISFETs (ion-selective field-effect transistors) [cf. Schindler, JG; Schindler, MM; Herna, K; Reisinger, E. ; Kulmann, U .; Graef, R .; Lange, H. Biomed Tech 36/11 (1991) 271-280, 282-284. (HCA 116: 136186.); van der Schoot, BH; Jeanneret, S. ; van den Berg, A.; de Rooij, NF Sensors and Actuators B 15 / 1-3 (1993) 211-213; Hoffmann,.; Rapp, R.; Ache, HJ; Stolze, D .; Neuhaus, D .; Hofmann, D .; Freywald, KH Micro Total Anal. Syst., Proc. μ-TAS'94 Workshop Ist (1995). in van den Berg, A.; Bergveld, P. (Eds). Dorrecht: Kluwer, Netherlands]. On the one hand, these systems lack the robustness (ruggedness), in particular the layer structure and the reference system, and on the other hand the flexibility to be able to react to new developments. Depending on the manufacturing technology, they are also only for a limited selection or Types of selective layers can be optimized. This limits their application possibilities. Changes to microstructured sensor platforms are hardly worthwhile or only if extremely large quantities can be produced. On the other hand, due to their unsatisfactory robustness and long-term stability, the miniaturized sensors are mainly brought onto the market as "one-way" sensors (i-STAT). This induces the production of waste from precious materials. Continuous measuring systems generally need the possibility of recalibration in order to produce high reliability of the results. However, calibration-free systems have also already been investigated [Rumpf, G .; Spichiger, UE; Bühler, H .; Simon, W .; Anal. Sciences 8 (1992) 553-559)].
Die selektive Bestimmung bestimmter Bestandteile eines Gemisches der Substanz ist nur möglich durch Anwendung sogenannter Selektivitätsprinzipien. Eine grosse Zahl von Selektivitätsprinzipien auf der Basis von Erkennungsmolekülen, z.B. selektiven Liganden, oder wirksamen Selektivitätsprinzipien, welche auf Verteilungsgleichgewichten beruhen, sind bekannt [Fluka-Katalog "Selectophore®" , 1996] . Einzelne dieser Selektivitätsprinzipien wie z.B. die Magnesium-, Nitrit-, Schwermetall-selektiven Liganden und Schichten wurden massgeblich weiter entwickelt [Schaller, U.; Bakker, E.; Spichiger, U.E.; Pretsch, E. Talanta 41/6 (1994) 1001- 1005; Spichiger, U.E.; Eugster, R.; Citterio, D.; Li, H.; Schmid, A. ; Simon, W. In: S. Golf, D. Dralle, L. Vecchiet (Eds) "Magnesium 1993" London: John Libbey & Co p . , 1993].The selective determination of certain components of a mixture of the substance is only possible by using so-called selectivity principles. A large number of selectivity principles based on recognition molecules, e.g. selective ligands, or effective principles of selectivity, which are based on distribution equilibria, are known [Fluka catalog "Selectophore®", 1996]. Some of these selectivity principles, e.g. the magnesium, nitrite, heavy metal selective ligands and layers have been significantly further developed [Schaller, U .; Bakker, E .; Spichiger, U.E .; Pretsch, E. Talanta 41/6 (1994) 1001-1005; Spichiger, U.E .; Eugster, R .; Citterio, D .; Li, H .; Schmid, A.; Simon, W. In: S. Golf, D. Dralle, L. Vecchiet (Eds) "Magnesium 1993" London: John Libbey & Co p. , 1993].
Substanz-selektive Liganden werden im Bulk einer Schicht gelöst. Diese Schicht oder Membran liefert oft erst nach sorgfältiger Optimierung des Bulkmediums, beispielsweise der Bulkzusammensetzung, eine befriedigende Selektivität. Wird eine solche Schicht in vorbestehende Sensorelemente eingearbeitet durch Eingiessen, Einkleben, Photopolymerisation, u.a Polymerisationsverfahren muss oft mit einem beträchtlichen Verlust der Selektivität bzw. der Sensitivität Vorlieb genommen werden.Substance-selective ligands are dissolved in the bulk of a layer. This layer or membrane often provides satisfactory selectivity only after careful optimization of the bulk medium, for example the bulk composition. If such a layer is incorporated into pre-existing sensor elements by pouring, gluing, photopolymerization, etc. polymerization processes often have to be taken into account with a considerable loss of selectivity or sensitivity.
Die Verfahrenstechnik zum Aufbringen von Schichten und zur Immobilisierung von Selektivitätsprinzipien mittels Photopolymerisation grenzt die Möglichkei- ten der Anwendung selektiver Schichten stark ein und schöpft das Potential der Erkennungskomponenten nicht aus . Trotz der überaus grossen Anzahl von bekannten Liganden und Erkennungskomponenten wurden bisher nur wenige in eine Schicht eingebracht und für analytische Anwendungen getestet. Damit wurden bisher auch nur ver- einzelte Liganden in Chemischen Sensoren verwertet. Die Verwendung von Chemischen Sensoren in Messinstrumenten hat ausschliesslich in der Medizintechnik seit Jahren einen festen Platz. Elektrolyte werden in Automaten für die tägliche Routine, aber auch in "bed-side"-Analysatoren oder Geräten für die Arztpraxis unter Verwendung von Ionen-selektiven Sensoren bestimmt. Das erste Gerät, das sich optische Sensoren zu Nutze macht ist auf dem Markt { OPTI, AVL Biosense Corp., Atlanta). Das Gerät arbeitet mit "disposable cartridges" und bietet die Parameter pθ2, pC02 und pH an (Fluoreszenzemissionsmessung) . EinzelneThe process technology for applying layers and for immobilizing selectivity principles by means of photopolymerization severely limits the possibilities of using selective layers and does not exhaust the potential of the detection components. Despite the extremely large number of known ligands and recognition components, only a few have so far been placed in one layer and tested for analytical applications. So far, only isolated ligands have been used in chemical sensors. The use of chemical sensors in measuring instruments has been a permanent fixture in medical technology for years. Electrolytes are determined in automatic machines for daily routine, but also in "bed-side" analyzers or devices for the doctor's office using ion-selective sensors. The first device to use optical sensors is on the market {OPTI, AVL Biosense Corp., Atlanta). The device works with "disposable cartridges" and offers the parameters pθ2, pC02 and pH (fluorescence emission measurement). Separate
Geräte haben seit kurzem eine Kombination von Biosensoren (voltammetrische resp. amperometrische Bestimmung der Aenderung des Sauerstoff-Partialdruckes, z.B. nach 01s- son, L. et al., Anal.Chim. Acta 224(1) (1989) 31 ff) für Laktat, Glucose, Peroxid, Glutamat, Kreatinin zusammen mit Ionen-selektiven Elektroden implementiert. Diese Kombinationen beruhen auf miniaturisierten Sensoren auf der Basis von Feststoffableitungen oder Halbleiterelementen vom Typ ISFET / ENFET (Ionen-selektive-, enzymatische Feldeffekt-Transistoren) , bei welchen die Leitfähigkeitsbzw. Potentialänderung über dem Halbleiterelement detek- tiert wird. Eine solche Kombination hat die Firma ISTAT als "disposable sensors" für den Einmal-Gebrauch auf den Markt gebracht. Diese Sensoren weisen die bereits oben beschriebenen Nachteile auf, u.a. mangelnde Robustheit und grosse Abfallmengen.Recently, devices have a combination of biosensors (voltammetric or amperometric determination of the change in the oxygen partial pressure, for example according to 01sons, L. et al., Anal.Chim. Acta 224 (1) (1989) 31 ff) for lactate , Glucose, peroxide, glutamate, creatinine implemented together with ion-selective electrodes. These combinations are based on miniaturized sensors based on solid derivatives or semiconductor elements of the ISFET / ENFET type (ion-selective, enzymatic field-effect transistors), in which the conductivity or. Potential change over the semiconductor element is detected. The company ISTAT has brought such a combination onto the market as "disposable sensors" for single use. These sensors have the disadvantages already described above, i.a. lack of robustness and large amounts of waste.
Eine Firma, die seit vielen Jahren einen am- perometrischen Glucosesensor ExacTech® für den Selbsttest verkauft, ist die MediSense Inc. (Waltham, MA) mit einem Sitz in Basel; ein entsprechendes Gerät für die industrielle Anwendung ist der YSI Glucose-Sensor von Yellow Springs (OH, USA) . Die in diesen Geräten eingesetzten Sensoren weisen mehrere Schichten auf, welche letztlich zur Selektivität der Biosensoren führen. Jeder angebotene Biosensor beruht auf demselben Elektrodenprinzip, welche eine Messung des Sauerstoffverbrauchs mit der herkömmli- chen elektrochemischen Sauerstoffelektrode bestimmt.One company that has been selling an ExacTech® amperometric glucose sensor for self-testing for many years is MediSense Inc. (Waltham, MA), based in Basel; a suitable device for industrial use is the YSI glucose sensor from Yellow Springs (OH, USA). The used in these devices Sensors have several layers, which ultimately lead to the selectivity of the biosensors. Every offered biosensor is based on the same electrode principle, which determines a measurement of the oxygen consumption with the conventional electrochemical oxygen electrode.
Seit 1988 wurden mehr als 1000 Publikationen über Glucose-Biosensoren veröffentlicht (vgl. Gorton, L. Electroanalysis 7/1 (1995) 23-44.) Dagegen sind optische Sensoren noch kaum eingeführt. WPIDS (World Patents Index No) 95-256069 [34] beschreibt die optische Messung von Streulicht in lebenden Geweben und WPIDS 93-213750 [26] die optische Messung des Blut-Haemoglobingehaltes (measuring of blood hemoglobin content) .Since 1988, more than 1000 publications on glucose biosensors have been published (cf. Gorton, L. Electroanalysis 7/1 (1995) 23-44.) In contrast, optical sensors have hardly been introduced. WPIDS (World Patents Index No) 95-256069 [34] describes the optical measurement of scattered light in living tissues and WPIDS 93-213750 [26] describes the optical measurement of blood hemoglobin content (measuring of blood hemoglobin content).
Ziel der vorliegenden Erfindung war es des- halb, ein Messystem, insbesonders für die kontinuierliche Prozess-Messtechnik, bereitzustellen, das die Nachteile bekannter Sensorsysteme und Sensoren nicht aufweist und sich insbesonders durch grosse Flexibilität und Robustheit auszeichnet.The aim of the present invention was therefore to provide a measuring system, in particular for continuous process measurement technology, which does not have the disadvantages of known sensor systems and sensors and which is particularly characterized by great flexibility and robustness.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Das angestrebte Ziel wurde erreicht durch die Bereitstellung eines kontinuierlichen, modulären, insbe- sonders mehrdimensionalen, und robusten Messystems, das idealerweise reagentienfrei betrieben wird, sowie die Bereitstellung spezieller modularer Sensorelemente und für solche Sensorelemente geeignete Erkennungssysteme.The desired goal was achieved by providing a continuous, modular, especially multi-dimensional, and robust measuring system that is ideally operated without reagents, as well as by providing special modular sensor elements and detection systems suitable for such sensor elements.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden vorab einige grundlegende Begriffe definiert:For a better understanding of the invention, some basic terms are defined in advance:
- Mehrdimensionales (multidimensionales) , moduläres, kontinuierliches Messsystem; Sensorelement; Halbzelle; Messmodul; Referenz; Referenzmodul Ein kontinuierliches Messsystem auf der Basis von Sensorelementen setzt voraus, dass diese Sensoren reversibel oder innert der gewünschten Reaktionszeit regenerierbar arbeiten, d.h. dass sich ihr Signal resp. die generierte Messgrösse immer wieder den kurzfristig wechselnden Eigenschaften des Specimens anpasst. Das Messsystem kann sowohl im Batchverfahren wie im Durchfluss die kontinuierliche Messung ermöglichen. Der Begriff modulär meint, dass die einzelnen Sensoren und Sensorgruppen/- typen/-verfahren als Sensorelemente in einzelne Module implementiert sind und als solche kombiniert werden können. Die unterschiedlichen Sensorelemente können beispielsweise in stabförmige Module, z.B. für die Reaktortechnik, implementiert werden. Solche Module sind insbe- sonders für den Durchfluss geeignet. Charakteristischerweise können durch geeignete Dimensionen dieser Module auch verschiedene Messverfahren im selben Messsystem miteinander kombiniert werden. Dadurch wird das System mul tidimensional , da die Information über die Substanz auf- grund voneinander unabhängiger Messverfahren gewonnen werden kann. Mehrdimensional (multidimensional) bezeichnet die Eigenschaft des Messsystems, dass mehrere Sensoren bzw. Sensorelemente oder Messverfahren kombiniert und damit mehrere Substanzen in Serie oder parallel bestimmt werden können. Zwei Verfahren, d.h. zwei verschiedene Typen von Modulen können auch unabhängige, d.h. orthogonale Informationen über dieselbe Substanz liefern und damit die Betriebssicherheit erhöhen (z.B. ein optisches und ein potentiometrisches oder ein optisches und eine am- perometrisches Modul) . Ein Modul kann auch nur eine Halbzelle bzw. ein Referenzelement eines Sensorelementes enthalten oder auch mehr als ein Sensor- oder Ableitelement. In der Folge wird - wo eine Spezifizierung notwendig ist - ein Modul, das der Messung selbst dient, sei es eine Halbzelle oder ein vollständiges Element als Messmodul bezeichnet, währenddem das Referenzelement resp. die Referenzhalbzelle als Referenzmodul bezeichnet wird. - Robustheit- Multi-dimensional (modular), modular, continuous measuring system; Sensor element; Half cell; Measuring module; Reference; Reference module A continuous measuring system based on sensor elements requires that these sensors work reversibly or within the desired reaction time, that is, that their signal resp. continuously adjusts the generated measurement variable to the briefly changing properties of the specimen. The measuring system can enable continuous measurement both in batch and in flow. The term modular means that the individual sensors and sensor groups / types / methods are implemented as sensor elements in individual modules and can be combined as such. The different sensor elements can be implemented, for example, in rod-shaped modules, for example for reactor technology. Such modules are particularly suitable for flow. Characteristic, suitable dimensions of these modules can also be used to combine different measurement methods in the same measurement system. This makes the system multidimensional, since the information about the substance can be obtained on the basis of mutually independent measuring methods. Multi-dimensional (multidimensional) denotes the property of the measuring system that several sensors or sensor elements or measuring methods are combined and thus several substances can be determined in series or in parallel. Two methods, ie two different types of modules, can also provide independent, ie orthogonal information about the same substance and thus increase operational safety (for example an optical and a potentiometric or an optical and an amperometric module). A module can also contain only one half cell or a reference element of a sensor element or more than one sensor or derivation element. In the following - where a specification is necessary - a module that serves the measurement itself, be it a half cell or a complete element is called a measuring module, while the reference element or the reference half cell is referred to as the reference module. - robustness
Unter Robustheit (ruggedness) versteht man allgemein die geringe Abhängigkeit der generierten Mess- grösse von kleinen Aenderungen der Parameter des Messsystems bzw. die geringe Störanfälligkeit einer Messtechnik bzw. des Messsystems, worunter auch die Langzeitstabilität gezählt werden kann. Die Robustheit kann durch Auto- matisierung der Messtechnik und durch automatisierte Re- kalibrierung zusätzlich verbessert werden.Robustness is generally understood to mean the low dependence of the generated measurement variable on small changes in the parameters of the measurement system or the low susceptibility to interference of a measurement technology or the measurement system, which can also include long-term stability. The robustness can be further improved by automating the measurement technology and by automated recalibration.
- Substanz, Zielsubstanz, Analyt; Gruppe von ZielSubstanzen, BegleitSubstanzen,- substance, target substance, analyte; Group of target substances, accompanying substances,
Als Zielsubstanz oder Analyt (target comp- ound, target analyte) wird die Substanz oder eine Substanzgruppe/Substanzklasse bezeichnet über die eine (physikalisch-chemische) Information gewonnen werden soll. Diese Information wird in der Regel der Quantifizierung der Substanz in ihrem Medium dienen und eine quantitative Information liefern, auf welche eine Entscheidung (decision making) folgt. Das chemische Sensorelement oder eine Gruppe von Sensorelementen ist in der Lage zwischen der Zielsubstanz resp. einer Gruppe vonThe target substance or analyte (target component and target analyte) is the substance or a group of substances / class of substances that is used to obtain (physico-chemical) information. This information will generally serve to quantify the substance in its medium and provide quantitative information, which is followed by a decision making. The chemical sensor element or a group of sensor elements is in a position between the target substance or. a group of
Zielsubstanzen und Begleitsubstanzen zu unterscheiden und die Begleitsubstanzen zu diskriminieren.To differentiate between target substances and accompanying substances and to discriminate between the accompanying substances.
- Selektive Schichtstruktur; Selektivitäts- prinzip- Selective layer structure; Principle of selectivity
In der Schichtstruktur bilden das Selektivi- tätsprinizip bzw. der Erkennungsschritt und der Transduk- tionsschritt (vgl. unten) eine aufeinanderfolgende Ein- heit. Die Schichtstruktur kann aus einer einzigen Schicht oder mehreren Schichten, einschliesslich Hilfsschichten mit definierten Funktionen, bestehen. Man spricht von einer selektiven Schichtstruktur.In the layer structure, the selectivity principle or the recognition step and the transduction step (see below) form a successive unit. The layer structure can consist of a single layer or several layers, including auxiliary layers with defined functions. One speaks of a selective layer structure.
- selektive Erkennungsvorrichtung; Selektivi- tätsprinzip bestehend aus: Erkennungsschritt; Verteilungsgleichgewicht; Partition; Erkennungskomponente; rea- gentienfrei- selective detection device; Selectivity principle consisting of: recognition step; Distributional balance; Partition; Recognition component; free of reagents
Der Erkennungsschritt führt zur typischen Se- lektivität jedes einzelnen Sensors bzw. Sensormoduls. Als Folge des Selektivitätsprinzips wird die Zielsubstanz gegenüber Begleitsubstanzen vorgezogen. Das Selektivitätsprinzip kann auf Verteilungsgleichgewichten/Partition und/oder typischen chemischen Wechselwirkungen zwischen Zielsubstanz und mindestens einer Erkennungskomponente beruhen. Die Schichtstruktur enthält dabei die massgebli- chen Komponenten der chemischen Erkennung. Das Selektivitätsprinzip ist in der Regel reversibel oder dem Zeittakt des kontinuierlichen Messystems entsprechend regenerier- bar. Die Kombination dieser Schritte kann als selektive Erkennungsvorrichtung bezeichnet werden.The detection step leads to the typical selectivity of each individual sensor or sensor module. As a result of the principle of selectivity, the target substance is preferred over accompanying substances. The selectivity principle can be based on distribution equilibria / partition and / or typical chemical interactions between the target substance and at least one recognition component. The layer structure contains the essential components of chemical detection. The selectivity principle is usually reversible or can be regenerated according to the timing of the continuous measuring system. The combination of these steps can be referred to as a selective recognition device.
- Transduktionsschritt- transduction step
Als Transduktionsschritt wird ein Schritt oder eine Folge von Schritten bezeichnet, welche (r), induziert resp. ausgelöst durch den selektiven Erkennungschritt bzw. das Selektivitätsprinzip, die Bildung einer in der Regel quantifizierbaren Messgrösse bewirkt.A transduction step is a step or a sequence of steps that induces or induces. triggered by the selective recognition step or the selectivity principle, which causes the formation of a generally quantifiable measurement variable.
- Messgrösse- Measured variable
Die Bildung der Messgrösse ist das Resultat aus dem Erkennungsschritt mit seinem typischen Selektivitätsprinzip und dem darauf folgenden Transduktionsschritt. Die Messgrösse kann sich bereits als Folge des aufgrund des Selektivitätsprinzips veränderten Verteilungsgleichgewichtes bilden (Potentiometrie, IR- Spektroskopie) oder durch Ankopplung von Hilfsstoffen (z.B. Indikatoren) an den Erkennungsschritt.The formation of the measurand is the result of the recognition step with its typical selectivity principle and the subsequent transduction step. The measurand can already change as a result of the create a change in the distribution equilibrium based on the selectivity principle (potentiometry, IR spectroscopy) or by coupling auxiliary substances (eg indicators) to the detection step.
- Information- information
Die Messgrösse führt nach der Ableitung und ev. Verstärkung auf ein Datenaufnahme- und -verarbei- tungssystem zur Bildung einer Information über die Zielsubstanz oder eine Gruppe von Zielsubstanzen. Die Messgrösse muss, um eine höhere Sicherheit der Aussage zu erhalten, oft mit einer Referenzgrösse abgeglichen werden. Die Information kann in einer qualitativen meist aber quantitativen Information bestehen, aber auch Bewertungsbzw. Klassifizierungskriterien enthalten.After being derived and possibly amplified on a data acquisition and processing system, the measurement variable leads to the formation of information about the target substance or a group of target substances. The measured variable often has to be compared with a reference variable in order to obtain greater certainty. The information can consist of qualitative but mostly quantitative information, but also evaluation or Classification criteria included.
Die oben definierten Begriffe werden in der Folge in ihrer angegebenen Bedeutung verwendet. Das erfindungsgemässe modulare System zur kontinuierlichen, reagentienfreien Bestimmung einer Substanz ist dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens zwei Messmodule gleichen oder verschiedenen Modultyps zur simultanen Gewinnung von mindestens zwei Informationen auf- weist, wobei jedes Modul mindestens eine auswechselbare selektive Schichtstruktur und eine Ableitvorrichtung enthält, wobei die Schichtstruktur einen selektiven Erkennungsschritt ermöglicht und eine kontinuierliche Messung zulässt. In einer bevorzugten Ausführungsform des Messy- stems werden verschiedene Modultypen kombiniert, z.B. mindestens ein ionen-selektives Modul und mindestens ein Modul eines anderen Modultyps etc. Bei 3 Modulen kann 1 Modul ein Referenzsystem enthalten. Das Referenzsystem unterscheidet sich vom Messmodul dadurch, dass es kein Selektivitätsprinzip enthält oder dass das Selektivitätsprinzip nicht aktiv ist. Weitere Gegenstände der vorliegenden Erfindung sind ein Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung einer Substanz, die Verwendung des Systems sowie Module und Erkennungskomponenten, die für die Verwendung im Mes- system geeignet sind. Spezielle Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.The terms defined above are used in the following in the meaning given. The modular system according to the invention for the continuous, reagent-free determination of a substance is characterized in that it has at least two measuring modules of the same or different module types for the simultaneous acquisition of at least two pieces of information, each module containing at least one interchangeable selective layer structure and a discharge device, the Layer structure enables a selective detection step and allows continuous measurement. In a preferred embodiment of the measuring system, different module types are combined, for example at least one ion-selective module and at least one module of another module type, etc. With 3 modules, 1 module can contain a reference system. The reference system differs from the measuring module in that it does not contain a selectivity principle or in that the selectivity principle is not active. The present invention further relates to a method for the continuous determination of a substance, the use of the system and modules and recognition components which are suitable for use in the measurement system. Special embodiments are described in the subclaims.
Reversible und auch schnell regenerierbare chemische Sensoren zeichnen sich durch die Möglichkeit der kontinuierli chen Messung einer Zielkomponente, der Substanz, aus. Zur Gewinnung von kontinuierlichen Informationen über ein breites Spektrum von Substanzen ist nur die FIA (Flow injection analysis) als vergleichbare Messtechnik zu nennen. Im Gegensatz zu Chemischen Sensoren, werden bei der FIA traditionelle chemische Reaktionen un- ter Verwendung von Reagentien eingesetzt. Das Verfahren zeichnet sich durch ein hoch entwickeltes aber kostenintensives Fluidics-System aus.Reversible and quickly regenerable chemical sensors are characterized by the possibility of continuously measuring a target component, the substance. To obtain continuous information about a wide range of substances, only the FIA (Flow Injection Analysis) is to be mentioned as a comparable measurement technique. In contrast to chemical sensors, the FIA uses traditional chemical reactions using reagents. The process is characterized by a highly developed but cost-intensive fluidics system.
Das erfindungsgemässe Messystem zeichnet sich im Gegensatz zu bestehenden Messsystemen durch maximale Flexibilität, Reagentienfreiheit und Robustheit gegenüber der Beschaffenheit des Untersuchungsmaterials und gegenüber der kontinuierlichen Langzeit-Messtechnik aus. Daher kann es auch für die Bestimmung von Gasen und flüchtigen Substanzen verwendet werden. Durch Automatisierung lassen sich die erfindungsgemässen Vorteile weiter verbessern. Die Flexibilität wird erreicht, indem im Prinzip alle bekannten Sensortypen implementierbar sind; insbesonders können z.B. potentiometrische und/oder voltammetrische Messtechniken mit mindestens einer anderen Messtechnik kombiniert werden, beispielsweise der a perometrisehen und/oder der optischen. Die Korabination solcher verschiedener Messtechniken ermöglicht die Bereitstellung breitester Information über eine oder mehrere Zielsubstanzen. Ferner erhält man über die Kombination solcher verschie- dener Messtechniken für die Messung der gleichen Zielsubstanz die grösstmögliche Gewähr für korrekte Messergebnisse, insbesonders bei kalibrationsarmen resp. -freien Systemen. Die selektive Schichtstruktur, die für jedes Modul charakteristisch ist und in der vorzugsweise der Erkennungs- und der Transduktionsschritt abläuft, bildet das Herzstück des Sensorelementes. Die Robustheit des Sensorelements wird durch die Optimierung der Schichtstruktur, durch die Referenzbildung, die Automatisierung, durch den Bau des Moduls und den modulären Aufbau gewährleistet .In contrast to existing measuring systems, the measuring system according to the invention is distinguished by maximum flexibility, freedom from reagents and robustness with regard to the nature of the test material and with respect to the continuous long-term measuring technology. Therefore it can also be used for the determination of gases and volatile substances. The advantages according to the invention can be further improved by automation. The flexibility is achieved in that in principle all known sensor types can be implemented; in particular, potentiometric and / or voltammetric measuring techniques can be combined with at least one other measuring technique, for example a perometric and / or optical. The combination of such different measurement techniques enables the provision of the broadest information about one or more target substances. Furthermore, the combination of such different measurement techniques for the measurement of the same target substance gives the greatest possible guarantee for correct measurement results, particularly in the case of low-calibration or -free Systems. The selective layer structure, which is characteristic of each module and in which the recognition and transduction step preferably takes place, forms the heart of the sensor element. The robustness of the sensor element is guaranteed by the optimization of the layer structure, by the reference formation, the automation, by the construction of the module and the modular structure.
Ein wesentliches Merkmal des Systems ist des- halb, dass das Selektivitätsprinzip, die selektiveAn essential feature of the system is therefore that the principle of selectivity, the selective
Schichtstruktur, austauschbar ist; sie ist unter einer Vielzahl von verfügbaren Schichten austauschbar und, entsprechend einer beschränkten Lebensdauer, auswechselbar. Das Selektivitätsprinzip, die selektive Schichtstruktur, kann auf einem Träger aufgebracht verpackt und in ve- schiedener Grosse gehandelt werden. Ein solcher Träger kann bereits im Ableitsystem bestehen (z.B. planarer Wellenleiter, planare oder Stab-Elektrode, optische Faser, Resonator, SAW-Chip) . Das austauschbare Selektivitäts- prinzip kann dann als chemisch-aktiver Chip bezeichnet werden. Der chemisch-aktive Chip oder Chemochip ist ein wesentliches Element des Messystems. Ferner gehört zu den wesentlichen Merkmalen, dass nicht nur verschiedene Sensoren sondern auch verschiedene Typen von Sensoren als selbständige Module in Serie oder in beliebiger anderer Anordnung miteinander verbunden werden. Die Schaltung in Serie ist für die Messung im Durchfluss bevorzugt (optimaler Durchsatz von Specimen) . Parallelschaltung ist für die Messung von Untersuchungsmaterial, das unter- schiedlich konditioniert werden muss (pH, Ionenstärke, Temperatur etc.) bevorzugt.Layer structure, is interchangeable; it is interchangeable among a variety of available layers and, according to a limited life, interchangeable. The principle of selectivity, the selective layer structure, can be packaged on a carrier and traded in different sizes. Such a carrier can already exist in the lead system (e.g. planar waveguide, planar or rod electrode, optical fiber, resonator, SAW chip). The interchangeable selectivity principle can then be referred to as a chemically active chip. The chemically active chip or chemochip is an essential element of the measuring system. Furthermore, one of the essential features is that not only different sensors but also different types of sensors are connected to one another as independent modules in series or in any other arrangement. The series connection is preferred for flow measurement (optimal throughput of specimen). Parallel connection is preferred for the measurement of test material that has to be conditioned in different ways (pH, ionic strength, temperature etc.).
Ein Modul enthält alle für das Selektivitätsprinzip, den Erkennungsschritt, den Transduktionsschritt, die Bildung der Messgrösse und die Ableitung notwendigen Elemente. Es ist infolge seiner Robustheit mehrfach resp. kontinuierlich über längere Zeit verwendbar. Das Selektivitätsprinzip, die Analyt-selektive Schicht, kann aufgrund der speziellen Art der Implementierung, z.B. für die sterile oder aseptische Messtechnik von der Seite, wo die Ableitung eingebracht wird, kalibriert werden. Dies ist deshalb möglich, weil das Ablei- telement nicht zwingend untrennbar mit der selektiven Schichtstruktur verbunden ist.A module contains all the elements necessary for the selectivity principle, the recognition step, the transduction step, the formation of the measured variable and the derivation. It is due to its robustness several times. can be used continuously over a long period of time. The principle of selectivity, the analyte-selective Layer, due to the special type of implementation, eg for sterile or aseptic measurement technology, can be calibrated from the side where the lead is introduced. This is possible because the conductor element is not necessarily inseparably connected to the selective layer structure.
Das einzelne Modul arbeitet reagentienfrei . Unter Reagentienfreiheit versteht man, dass kein Hilfsstoff als Reagens verwendet wird, der die chemische Er- kennungsreaktion zusätzlich zum Selektivitätsprinzip ermöglicht. Die erfindungsgemässen Module unterscheiden sich damit stark von der FIA-Technik und verwandten kontinuierlichen Messystemen. Eine Pufferung, Zusatz von Co- Substrat oder weitere Konditioniermittel werden nicht als Reagentien bezeichnet und deshalb durch den Begriff Reagentienfreiheit nicht ausgeschlossen.The individual module works without reagents. The term reagent-free means that no auxiliary substance is used as the reagent that enables the chemical detection reaction in addition to the selectivity principle. The modules according to the invention thus differ greatly from FIA technology and related continuous measurement systems. Buffering, addition of co-substrate or other conditioning agents are not referred to as reagents and are therefore not excluded by the term reagent-free.
Ein einzelnes Modul kann auch nur aus einer Halbzelle bestehen, ein anderes kann dann das Referenzsystem sein, das durch seine (Puffer) -Kapazität ebenfalls robust und entsprechend langzeitstabil ist. Die Vereinigung verschiedener selbstständiger Sensormodule mit verschiedenen Funktionsprinzipien zu einem Messsystem wird als mul tidimensional es oder mehrdimensionales System bezeichnet. Jedes Modul kann unabhängig vom anderen sein und durch einen orthogonalen Beitrag optimal zur Endinformation über die Substanz/-en beitragen. Die Ernte für den Benutzer besteht darin, dass er nicht mehr selektiv die Messtechnik auszuwählen braucht, sondern lediglich bestimmt, über welche analytischen Parameter bzw. Ziel- Substanzen (target co pounds) er Informationen braucht und welche analytische Spezifikation (analytical Performance) er erfüllt wissen will. Er kann dann die Entscheidung, welche Messtechniken, sprich Sensormodule, unter diesen Umständen vorzugsweise zu kombinieren sind, bei- spielsweise dem Anbieter überlassen. Dasselbe gilt für die Entscheidung, wieviele Messtechniken und Module zu kombinieren sind, um die vorgegebenen Spezifikationen bzw. bestmögliche Betriebssicherheit zu erreichen.A single module can also consist of only one half cell, another can then be the reference system, which is also robust due to its (buffer) capacity and therefore long-term stable. The combination of various independent sensor modules with different functional principles to form a measuring system is known as a multidimensional or multidimensional system. Each module can be independent of the other and make an optimal orthogonal contribution to the final information about the substance (s). The harvest for the user is that he no longer has to selectively select the measuring technology, but only determines which analytical parameters or target substances (target co pounds) he needs information about and which analytical specification (analytical performance) he knows to meet want. He can then leave it up to the provider, for example, to decide which measurement techniques, ie sensor modules, should preferably be combined under these circumstances. The same applies to deciding how many measurement techniques and modules to use are to be combined in order to achieve the specified specifications and the best possible operational reliability.
Erfahrungen mit verschiedenen Sensortechnologien zeigen, dass verschiedene Prinzipien verschiedene Eigenschaften aufweisen, die mehr oder weniger geeignet sein können, dass aber keine Basistechnologie alleine den optimalen Betrieb für verschiedene Anwendungen abdecken kann. So wurde beispielsweise gefunden, dass sich für die Messung des gelösten Sauerstoffes (des 02~Partialdrucks in Lösung) die optische Messtechnik durch ihre Einfachheit und das schnelle Ansprechverhalten auszeichnet und damit für modulare Sensoren resp. Sensorsysteme gemäss der vorliegenden Erfindung speziell geeignet ist. Die optische Messtechnik ist diesbezüglich eine gute Alternati- ve zu elektrochemischen Sensoren. Die optische Messtechnik ist auch möglich für Messungen der Natrium-, Kalium- und Calcium-, Nitrit- und Chloridaktivität sowie zahlreicher ungeladener Zielkomponenten und Substrate wie Alkohole, Amine, Glucose, Feuchtigkeit, Laktat, etc. Gase, wie NOx, SO2, NH3 u.a. direkt im Specimen.Experience with different sensor technologies shows that different principles have different properties, which may be more or less suitable, but that no basic technology alone can cover optimal operation for different applications. It was found, for example, that optical measurement technology is characterized by its simplicity and fast response for measuring the dissolved oxygen (the partial pressure in solution in solution) and is therefore suitable for modular sensors and. Sensor systems according to the present invention is particularly suitable. In this regard, optical measurement technology is a good alternative to electrochemical sensors. Optical measurement technology is also possible for measurements of sodium, potassium and calcium, nitrite and chloride activity as well as numerous uncharged target components and substrates such as alcohols, amines, glucose, moisture, lactate, etc. Gases such as NO x , SO2, NH3 including directly in the specimen.
Speziell geeignete kalibrationsfreie Assays sind beispielsweise die Zerfallszeit (luminescence decay- time) wie in Draxler, S.; Lippitsch, M.E.; Klimant, I.; Kraus, H.; Wolfbeis, 0.; J.Phys.Chem. 99/10 (1995) 3162- 3167 beschrieben und die symmetrische Messtechnik: G.Specially suitable calibration-free assays are, for example, the luminescence decay time as in Draxler, S .; Lippitsch, M.E .; Klimant, I .; Kraus, H .; Wolfbeis, 0 .; J.Phys.Chem. 99/10 (1995) 3162- 3167 and the symmetrical measuring technique: G.
Rumpf; U. Spichiger-Keller; H. Bühler und W. Simon; Cali- bration-Free Measurement of Sodium and Potassium in Undi- luted Human Serum with an Electrically Symmetrie Measu- ring System. Anal . Sciences 8 (1992), 553-559. Die symme- frische Messtechnik z.B. nach Haase, A.E.; Untersuchung der Wechsel wirkung zwischen i onenselektiven Fl üssigmembranen und Messgut im Hinblick auf die kontinuierliche Erfassung von Kationen im Bl ut . Diss ETH Nr. 10453 (1993) eignet sich zur Herstellung von Referenzmaterialien für die Qualitätssicherung der elektrochemischen Bestimmung der aktiven Molalität von Ionen. Solche Referenzmateria- lien/Qualitätskontrollproben sind zur Zeit weltweit nicht erhältlich.Hull; U. Spichiger-Keller; H. Buehler and W. Simon; Calibration-Free Measurement of Sodium and Potassium in Undiluted Human Serum with an Electrically Symmetry Measuring System. Anal. Sciences 8: 553-559 (1992). The symmetrical measurement technology, for example according to Haase, AE; Investigation of the interaction between ion-selective liquid membranes and measured material with regard to the continuous detection of cations in the blood. Diss ETH No. 10453 (1993) is suitable for the production of reference materials for the quality assurance of the electrochemical determination of the active molality of ions. Such reference materials lien / quality control samples are currently not available worldwide.
Es wurde nun gefunden, dass mittels einer solchen symmetrischen Messtechnik resp. durch Verwendung von symmetrischen Membranen, welche mit dem Specimen optimal kompatibel sind, und einer symmetrischen Anordnung/Konfiguration der Messzelle Referenzmaterialien für die Bestimmung der molalen Aktivität von Ionen beispielsweise zur Qualitätssicherung herstellbar sind. Als Refe- renzmaterial kommen beispielsweise wässrige Lösungen aus lyophilisiertem Blutplasma oder -serum in Frage.It has now been found that using such a symmetrical measurement technique, respectively. by using symmetrical membranes, which are optimally compatible with the specimen, and a symmetrical arrangement / configuration of the measuring cell, reference materials for determining the molar activity of ions, for example for quality assurance, can be produced. For example, aqueous solutions of lyophilized blood plasma or serum can be used as reference material.
Insbesondere für Messungen im Pharma- resp. Medizinal- und Lebensmittelbereich ist es notwendig resp. sinnvoll, die Module zu sterilisieren. Diesbezüglich kann auf gängige Verfahren des Stands der Technik verwiesen werden, z.B. für die Sterilisation auf Haase, A.E.; Untersuchung der Wechselwirkung zwischen ionenselektiven Flüssigmembranen und Messgut im Hinblick auf die kontinuierliche Erfassung von Kationen im Blut . Diss ETH Nr. 10453 (1993), S. 82-83. γ-Strahlen Sterilisation für verpackte Membranen ist möglich. Auch ist es notwendig die Einführung toxischer Komponenten in die gemessene Probe, das Specimen, zu vermeiden. Toxizität von ISEs wird z.B. beschrieben in Haase, A.E.; Untersuchung der Wechselwir- kung zwischen ionenselektiven Fl üssigmembranen und Messgut im Hinblick auf die kontinuierliche Erfassung von Kationen im Blut . Diss ETH Nr. 10453 (1993) . A perometri- sche Systeme auf der Basis der Mediatoren TTF/TCNQ (Tetrathiafulvalen-p-tetracyanochinondimethan) gelten allgemein toxikologisch als unbedenklich.Especially for measurements in pharmaceutical resp. Medical and food sector, it is necessary. useful to sterilize the modules. In this regard, reference can be made to common methods of the prior art, e.g. for sterilization on Haase, A.E .; Investigation of the interaction between ion-selective liquid membranes and material to be measured with regard to the continuous detection of cations in the blood. Diss ETH No. 10453 (1993), pp. 82-83. γ-ray sterilization for packaged membranes is possible. It is also necessary to avoid the introduction of toxic components into the measured sample, the specimen. Toxicity of ISEs is e.g. described in Haase, A.E .; Investigation of the interaction between ion-selective liquid membranes and material to be measured with regard to the continuous detection of cations in the blood. Diss ETH No. 10453 (1993). A perometric systems based on the mediators TTF / TCNQ (tetrathiafulvalene-p-tetracyanoquinone dimethane) are generally considered toxicologically harmless.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Figur 1 stellt ein erfindungsgemässes odulä- res dreidimensionales System für die kontinuierliche Pro- zessmesstechnik mit einem potentiometrischen, einem am- perometrischen und einem optischen selektiven Sensorelement im Längsschnitt dar.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 shows an inventive, three-dimensional system for continuous process measurement technology with a potentiometric, an am- perometric and an optical selective sensor element in longitudinal section.
Figur 2 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Längsachse des Systems von Figur 1 durch ein potentiome- frisches Element mit austauschbarer Ionen-selektiver Membran,FIG. 2 shows a section perpendicular to the longitudinal axis of the system from FIG. 1 through a potentiometric element with an exchangeable ion-selective membrane,
Figur 3 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Längsachse des Systems von Figur 1 durch ein erfindungs- gemässes amperometrisches Modul mit Biosensor-Element, Figur 4 zeigt einen Schnitt senkrecht zurFIG. 3 shows a section perpendicular to the longitudinal axis of the system from FIG. 1 through an amperometric module according to the invention with a biosensor element, FIG. 4 shows a section perpendicular to the
Längsachse des Systems von Figur 1 durch ein erfindungs- gemässes optisches Modul mit faseroptischem Element,Longitudinal axis of the system of Figure 1 by an optical module according to the invention with a fiber-optic element,
Figur 5 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Längsachse eines Systems entsprechend Figur 1 durch ein erfindungsgemässes optisches Modul mit Diodenelement,FIG. 5 shows a section perpendicular to the longitudinal axis of a system corresponding to FIG. 1 through an optical module according to the invention with a diode element,
Figur 6A und 6B stellt den Reaktionsweg der Hypoxanthinanalyse dar, wobeiFigures 6A and 6B illustrate the reaction path of hypoxanthine analysis, wherein
Figur 6A den Oxidationsschritt zeigt undFigure 6A shows the oxidation step and
Figur 6B den Reduktionsschritt.Figure 6B the reduction step.
Die Bezugszeichen in den Figuren haben die nachfolgend angegebene Bedeutung:The reference symbols in the figures have the meaning given below:
I: Potentiometrisches Modul (Halbzelle), Ionen-selektives SensorelementI: Potentiometric module (half cell), ion-selective sensor element
II: Amperometrisches Modul (Halbzelle), Biosensor-ModulII: Amperometric module (half cell), biosensor module
III: Optisches Modul; Faseroptisches Modul für die Fluoreszenz- oder Reflektionsmessung. 1 Träger des Durchflusssystems (z.B. ausIII: optical module; Fiber optic module for fluorescence or reflection measurement. 1 carrier of the flow system (e.g. from
Aluminium)Aluminum)
2,3,4 Körper der Elektrodensegmente des Durchflussystems (z.B. aus Poly ethylmethacrylaten) dabei bezeichnet 2 Segment der Referenz-Elektrode, unterer2,3,4 Body of the electrode segments of the flow system (e.g. made of polyethyl methacrylates) denotes 2 segments of the reference electrode, lower
Teilpart
3 Segment der Messelektrode, Basisteil 4 Körper der Messelektrode, Kopfteil3 segment of the measuring electrode, base part 4 body of the measuring electrode, head part
5, 6 Schrauben für die dichte Fixierung der5, 6 screws for the tight fixation of the
ModuleModules
Durchflusskanal für das thermostatisier- te WasserFlow channel for the thermostatted water
8 Selektive Schichtstruktur8 Selective layer structure
9 Probekanal9 test channel
10 Thermoelement10 thermocouple
11 Kapillare mit innerem Elektrolyt 12 Ableitvorrichtung/Ableitelement11 capillary with internal electrolyte 12 discharge device / discharge element
13 Referenzelektrode/Referenzmodul (für potentiomefrische/amperometrisehe Halbzelle)13 reference electrode / reference module (for potentiomefresh / amperometric half cell)
14 Körper des Ableitelements/der Ableitvorrichtung 15 Schraube für eine dichte Verbindung zwischen der Membrane/selektiven Schichtstruktur und dem Probekanal14 body of the diverter element / diverter 15 screw for a tight connection between the membrane / selective layer structure and the test channel
16 Detektionsdiode (auf Platte)16 detection diode (on plate)
17 Emissionsdiode17 emission diode
Weg zur Ausführung der ErfindungWay of carrying out the invention
Das einzelne Modul I, II, III, 13, das für die Verwendung in dem erfindungsgemässen System geeignet ist, besteht aus dem Körper des Moduls 3, 4, der aus z.B. Kunststoff gefertigt wird (siehe Figur 1) .The individual module I, II, III, 13, which is suitable for use in the system according to the invention, consists of the body of module 3, 4, which consists of e.g. Plastic is made (see Figure 1).
Der Körper umfasst eine austauschbare selektive Schichtstruktur 8 und eine Ableitvorrichtung 12 so- wie vorzugsweise einen Kanal 9 bzw. einen Schlauch für den kontinuierlichen bzw. Stop-Flow Transport von Probe oder Specimen und für die kontinuierliche Messung. Der Körper umfasst somit das Sensorfeld, wo die selektive Schichtstruktur bzw. die selektive ErkennungsvorrichtungThe body comprises an interchangeable, selective layer structure 8 and a discharge device 12, and preferably a channel 9 or a hose for the continuous or stop-flow transport of sample or specimen and for the continuous measurement. The body thus comprises the sensor field, where the selective layer structure or the selective detection device
8 (z.B. Ionenselektive Membran; Enzymaktive Paste, Opto- denmembran, beschichteter Wellenleiter, IR-Wellenleiter) einerseits mit der Probe andererseits mit der Ableitvor- richtung 12 in Verbindung steht und wo der Erkennungsschritt stattfindet, den Transduktionsschritt, wo der Erkennungsschritt in eine Messgrösse umgesetzt wird, die dann über die Ableitvorrichtung 12 (z.B. innere Elektrode, optische Faser, Detektordiode, Verstärker und Draht für die Ableitung des elektrischen Stroms) abgeleitet und fakultativ mit einer Referenzgrösse verglichen wird.8 (eg ion-selective membrane; enzyme-active paste, optode membrane, coated waveguide, IR waveguide) on the one hand with the sample on the other hand with the Direction 12 is connected and where the detection step takes place, the transduction step, where the detection step is converted into a measurement variable, which is then derived via the discharge device 12 (e.g. inner electrode, optical fiber, detector diode, amplifier and wire for the discharge of the electrical current) and is optionally compared with a reference quantity.
Das Modul kann in der zweckmässigen Grosse hergestellt, vorzugsweise im Centimeter bis Mikrometer Massstab angefertigt werden. Das einzelne Modul kann ein selbständiges chemisches Sensorelement bilden oder in einer Halbzelle (z.B. Potentiometrie) bestehen, wobei dann vorzugsweise ein zweites Modul die andere Halbzelle ent- hält. Module können nach Bedarf und in beliebiger Anordnung miteinander verbunden werden (z.B. in Serie oder parallel geschalten) . Verschiedene Module unterscheiden sich durch den Erkennungs- und/oder Transduktionsschritt, für den ein Modul ausgelegt ist und durch den ein Modul sich vom andern unterscheidet. Module mit demselbenThe module can be produced in the appropriate size, preferably in the centimeter to micrometer scale. The individual module can form an independent chemical sensor element or consist in a half cell (e.g. potentiometry), in which case a second module preferably contains the other half cell. Modules can be connected to each other as required and in any arrangement (e.g. connected in series or in parallel). Different modules differ in the recognition and / or transduction step for which one module is designed and by which one module differs from the other. Modules with the same
Transduktionsprinzip und daher derselben Bauart werden zu Modultypen/Modulklassen zusammengefasst .The principle of transduction and therefore the same design are combined into module types / module classes.
Modultypen, welche sich durch verschiedene Messprinzipien unterscheiden und damit verschiedene, von- einander unabhängige Dimensionen der Information über die Substanz liefern (aber nach demselben Grundbauprinzip realisiert sind), sind z.B.:Module types that differ by different measuring principles and thus provide different, independent dimensions of the information about the substance (but are implemented according to the same basic principle) are, for example:
• potentiometrische Halbzelle mit ionenselektiver Membran oder kombiniertes potentiometrisches Io- nen-selektives Elektrodenelement• potentiometric half cell with ion-selective membrane or combined potentiometric ion-selective electrode element
• selektives amperometrisches Biosensorelement, z.B. mit selektiver leitender Schicht/PasteSelective amperometric biosensor element, e.g. with selective conductive layer / paste
• Element mit selektivem Erkennungsschritt und einem beschichteten oder unbeschichtetem optischen planaren Wellenleiter als Transduktions- und/oder Ableitelement • Element mit selektivem Erkennungsschritt und Ableitelement für die Absorptions-, Emissions- bzw. Reflektionsmessung mit beschichteter oder unbeschichteter optischer Faser • selektives "Surface Acoustic Wave"-• Element with selective detection step and a coated or uncoated optical planar waveguide as a transduction and / or dissipation element • Element with selective detection step and diverting element for absorption, emission or reflection measurement with coated or uncoated optical fiber • Selective "Surface Acoustic Wave" -
SensorelementSensor element
• konduktometrisches Sensorelement mit Se- lektivitätsprinzip• Conductometric sensor element with the principle of selectivity
• kapazitives Sensorelement kombiniert mit einem Erkennungsschritt• capacitive sensor element combined with a detection step
• optisches oder elektrochemisches Referenzelement/Halbzelle .• optical or electrochemical reference element / half cell.
Module für die Potentiometrie sind bereits bekannt, doch wurde der Vorteil einer austauschbarenModules for potentiometry are already known, but the advantage of being interchangeable
Schichtstruktur noch nicht erfasst. Es wurde nun gefunden, dass potentiometrische aber insbesonders auch am- perometrische und optische Module mit auswechselbarer Schichtstruktur hergestellt und für die kontinuierliche Messtechnik eingesetzt werden und fest fixierten Schichten gegenüber überlegen sein können.Layer structure not yet recorded. It has now been found that potentiometric, but in particular amperometric and optical modules with interchangeable layer structure can be produced and used for continuous measurement technology and can be superior to firmly fixed layers.
Wesentlicher Bestandteil jeden Moduls ist die selektive Schichtstruktur.An essential part of every module is the selective layer structure.
Diese umfasst mindestens eine Komponente, welche die Selektivität des Sensorelementes bewirkt, d.h. die bevorzugte Erfassung der Zielsubstanz bzw. einer Gruppe von Zielsubstanzen gegenüber Begleitsubstanzen er- laubt. Die Selektivität kann durch molekulare Erkennung der Zielsubstanz bewirkt werden oder durch die Partition der Substanz zwischen Probe/Speci en und dem Sensorelement (durch ein Verteilungsgleichgewicht) . Die selektive Schichtstruktur kann Hilfsstoffe enthalten, welche zur Bildung der Schicht nötig sind und/oder den Erkennungsschritt unterstützen, katalysieren und/oder den Einfluss von Interferenzen vermindern, sowie fakultativ eine wei- tere Komponente, welche für den Transduktionsschritt verantwortlich ist. Die Schichtstruktur umfasst die Möglichkeit die selektive Schicht mit Hilfsschichten zu kombinieren, welche z.B. die Biokompatibilität gewährleisten [vgl. Wintermantel, E.; Ha S-W. (Eds.); Biokompatible Werkstoffe und Bauweisen, Berlin: Springer-Verlag, 1996] und/oder die Trennung zwischen gasförmigen, neutralen und geladenen Substanzen ermöglichen und/oder eine Diffusionsbarriere bilden. Die Schichtstruktur kann sowohl mehr oder weniger lipophile/apolare wie mehr oder weniger hydrophile/polare Schichten wie auch Mizellen oder Umkehrmizellen enthalten. Solche Schichtstrukturen für optische Sensorelemente wurden bereits in Vaillo, E.; Walde, P.; Spichi- ger, U.E.; Analytical Methods and Instrumentation, AMI, 2/3 (1995) 145-153 beschrieben. Das Auswaschen von Komponenten in die Probe/das Specimen wird z.B. durch hohe Li- pophilie der Komponenten verhindert, im Falle wo eine wässrige Probe / ein wässriges Specimen vorliegt [vgl. Dinten, 0.; Spichiger, U.E.; Chaniotakis, N. ; Gehrig, P.; Rusterholz, B.; Morf, W.E.; Simon, W. Anal. Chem. 63 (1991) 596-603 für optische und potentiometrische Sensoren] oder durch Immobilisierung einzelner Komponenten. Die selektive Schichtstruktur wird erfin- dungsgemäss weder mit selektivitäts- resp. sensitivitäts- vermindernden Verfahren eingeklebt noch mittels solcher Verfahren eingegossen, sondern möglichst in ihrer "nativen" Form, d.h. in der Form, in der diese aus dem Herstellungsprozess hervorgeht, in ein System übertragen. Die Dichtung erfolgt dann alleine über die Elastizität der Materialien, insbesondere der Schichtstruktur. In allen hier beschriebenen erfindungsgemässen Systemen ist dies möglich, indem die Schichtstruktur nur mit dem Sensormodul in Verbindung gebracht (z.B. durch Beschichtung der Ableitvorrichtung/des Ableitelementes) oder ins Modul eingelegt, aber nicht weiter verändert oder bearbeitet wird. Dadurch wird grösstmögliche Selektivität resp. Sen- sitivität erreicht.This comprises at least one component which effects the selectivity of the sensor element, ie allows the preferred detection of the target substance or a group of target substances compared to accompanying substances. The selectivity can be brought about by molecular recognition of the target substance or by the partition of the substance between the sample / speci en and the sensor element (through a distribution equilibrium). The selective layer structure can contain auxiliary substances which are necessary for the formation of the layer and / or support, catalyze and / or reduce the influence of interference, as well as optionally a further tere component, which is responsible for the transduction step. The layer structure includes the possibility of combining the selective layer with auxiliary layers, which, for example, ensure biocompatibility [cf. Wintermantel, E .; Ha SW. (Eds.); Biocompatible materials and construction methods, Berlin: Springer-Verlag, 1996] and / or enable the separation between gaseous, neutral and charged substances and / or form a diffusion barrier. The layer structure can contain both more or less lipophilic / apolar as well as more or less hydrophilic / polar layers as well as micelles or reverse micelles. Such layer structures for optical sensor elements have already been described in Vaillo, E .; Walde, P .; Spichiger, UE; Analytical Methods and Instrumentation, AMI, 2/3 (1995) 145-153. The washing out of components into the sample / specimen is prevented, for example, by high lipophilicity of the components in the case where there is an aqueous sample / an aqueous specimen [cf. Dinten, 0 .; Spichiger, UE; Chaniotakis, N.; Gehrig, P .; Rusterholz, B .; Morf, WE; Simon, W. Anal. Chem. 63 (1991) 596-603 for optical and potentiometric sensors] or by immobilizing individual components. The selective layer structure is inventively neither with selectivity or sensitivity-reducing processes are still glued in by means of such processes, but rather, if possible, transferred to a system in their "native" form, ie in the form in which it results from the manufacturing process. The sealing then takes place solely via the elasticity of the materials, in particular the layer structure. In all of the systems according to the invention described here, this is possible in that the layer structure is only connected to the sensor module (for example by coating the diverter / the diverter element) or inserted into the module but not changed or processed any further becomes. This ensures the greatest possible selectivity or Sensitivity reached.
Die selektive Schichtstruktur kann auf einem geeigneten Träger z.B. auf einem planaren Wellenleiter, auf einer optischen Faser, auf einer reflektierendenThe selective layer structure can be on a suitable support e.g. on a planar waveguide, on an optical fiber, on a reflective one
Schicht, auf einer Diffusionsbarriere aufgetragen oder in einen Träger eingelegt vorliegen und auch als Schichtstruktur angeboten und in ein Modul eingesetzt werden. Solche Schichten werden in Fachkreisen allgemein als "Disposable layers" oder "disposable waveguides with tar- get-analyte selective layers ") bezeichnet. Wenn ein Sensorelement verbraucht ist, können entweder nur das selektive Element, die Schichtstruktur, aber auch Teile des Moduls oder das ganze Modul ersetzt werden. Das einzelne Modul oder ein Set ist vorzugsweise so ausgelegt, dass es thermostatisiert werden kann, so dass es bei Einbau rasch messbereit ist.Layer, applied on a diffusion barrier or inlaid in a carrier and also offered as a layer structure and used in a module. Such layers are generally referred to in specialist circles as "disposable layers" or "disposable waveguides with target-analyzed selective layers"). When a sensor element is used up, either only the selective element, the layer structure, but also parts of the module or the entire module can be replaced. The individual module or a set is preferably designed so that it can be thermostatted so that it is quickly ready for measurement when installed.
Mindestens eine Komponente der Schichtstruktur bewirkt, dass eine Zielsubstanz oder eine Substanz- klasse gegenüber von Begleitsubstanzen bevorzugt vom Sensor erkannt wird und zur Bildung einer Messgrösse führt. Die selektive Erfassung kann durch ein Verteilungsgleichgewicht der Substanz zu Gunsten der Schichtstruktur oder durch eine definierte chemische Wechselwirkung, Komplex- bildung, reversible chemische Reaktion, zwischen der Zielsubstanz und einer Erkennungskomponente oder durch eine typische physikalische bzw. spektrale Eigenschaft induziert sein.At least one component of the layer structure has the effect that a target substance or a substance class is recognized by the sensor, in preference to accompanying substances, and leads to the formation of a measurement variable. The selective detection can be induced by a distribution equilibrium of the substance in favor of the layer structure or by a defined chemical interaction, complex formation, reversible chemical reaction, between the target substance and a recognition component or by a typical physical or spectral property.
Als Erkennungskomponente kommen alle natürli- chen und synthetischen sowie hybriden Moleküle in Frage. Solche Erkennungskomponenten sind beispielsweise Enzyme, Rezeptoren, Antikörper und deren Hybride oder Fragmente; Kohlenhydrate, Lektine, Lipide, Peptide, Proteine und deren Hybride oder Fragmente; synthetische Liganden, Bild- ner von Wasserstoffbrücken, Einschlussverbindungen, Solu- bilisate, Mizellen, Umkehrmizellen, Liposomen, Assozia- te, Komplexe, metallorganische Komplexe, Reaktionsproduk- te; Carrier, Ionophore, Reaktanden und chromophore Re- aktanden, Chromoionophore, Redoxfarbstoffe, Elektronendonoren und -akzeptoren, "Charge-transfer"-Verbindungen, pH-Indikatoren, Komponenten zum Energie- und Ladungs- transfer; Makromoleküle, Organe, Organellen, Mikroorganismen.All natural, synthetic and hybrid molecules can be used as recognition components. Such recognition components are, for example, enzymes, receptors, antibodies and their hybrids or fragments; Carbohydrates, lectins, lipids, peptides, proteins and their hybrids or fragments; synthetic ligands, hydrogen bond formers, inclusion compounds, solubilizates, micelles, reverse micelles, liposomes, associates, complexes, organometallic complexes, reaction products te; Carriers, ionophores, reactants and chromophoric reactants, chromoionophores, redox dyes, electron donors and acceptors, "charge transfer" compounds, pH indicators, components for energy and charge transfer; Macromolecules, organs, organelles, microorganisms.
Der Erkennungsschri t t kann durch Katalysatoren und weitere Hilfsstoffe (Weichmacher als Lösungsmittel, Polymere und Ionen) erleichtert resp. bevorzugt wer- den.The detection step can be facilitated by catalysts and other auxiliary substances (plasticizers as solvents, polymers and ions). to be favoured.
Die Zielsubstanz oder Substanzklasse umfasst infolge der Kombination verschiedener Detektionssysteme ein sehr breites StoffSpektrum. Als Beispiele seien hier genannt: Verwendung des Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Bestimmung anorganischer und organischer Ionen, geladener, ungeladener oder neutraler Moleküle, Salze, Isotope, Radikale, Zellen oder Zellbestandteile, Organismen, Mikroorganismen, Viren, Organellen, oder Rezeptoren im Untersuchungsmaterial. Der mindestens eine Transduktionsschritt führt zur Bildung einer Messgrösse als Folge eines physikalisch chemischen Geschehens oder über die Ankopplung eines zweiten chemischen Transduktionsprozesses . Der Transduktionsschri tt kann auch mehr als eines der Prinzi- pien in sich vereinen und kombinieren.Due to the combination of different detection systems, the target substance or substance class covers a very broad spectrum of substances. Examples are: Use of the system according to one of claims 1 to 5 for the determination of inorganic and organic ions, charged, uncharged or neutral molecules, salts, isotopes, radicals, cells or cell components, organisms, microorganisms, viruses, organelles, or receptors in the test material. The at least one transduction step leads to the formation of a measurement variable as a result of a physico-chemical event or via the coupling of a second chemical transduction process. The transduction step can also combine and combine more than one of the principles.
Als Transduktionsschri tt wird z.B. die Bildung eines Grenzflächenpotentials in der Folge des Erkennungsschrittes/Verteilungsgleichgewichtes bezeichnet . Weitere Beispiele sind: die Generierung eines elektri- sehen Stromes als Folge eines Redoxprozesses, spektrale oder Frequenz-Aenderungen, die Aenderungen des Widerstandes bzw. der Leitfähigkeit, der Absorptions- oder Lumineszenzintensität, der Polarität, der optischen Dehnung, der Kapazität, oder die Aenderung der Masse, der Teil- chenzahlen bzw. Quantenausbeuten als Folge des Erkennungsschrittes usw. Die Messgrösse besteht in einem Zählresultat, in der Quantifizierung der Absorptions-, Absor- banz-, Emissions- oder Frequenzänderung, in der Aenderung der Stromstärke (I), des Potentials (EMK) oder der Leitfähigkeit (σ) , in der Aenderung der Masse (m) , der Temperatur ( T) , der Abklingzeit (t) oder der Lebensdauer (tiim) usw- Diese Messgrössen werden gegebenenfalls durch die Kalibration und den Vergleich mit einer Referenz in z.B. Konzentrationseinheiten bzw. in die geeignete Sprache der Information umgesetzt.The transduction step is, for example, the formation of an interface potential in the sequence of the detection step / distribution equilibrium. Other examples are: the generation of an electrical current as a result of a redox process, spectral or frequency changes, the changes in resistance or conductivity, the absorption or luminescence intensity, the polarity, the optical strain, the capacitance, or the change the mass, the number of particles or quantum yields as a result of the recognition step, etc. The measurement variable consists in a counting result, in the quantification of the absorption, absorption change in the bank, emissions or frequency, in the change of the current (I), the potential (EMF) or the conductivity (σ), in the change of the mass (m), the temperature (T), the decay time (t) or the service life (tiim), etc. - These parameters are converted, if necessary, by calibration and comparison with a reference in, for example, concentration units or in the appropriate language of information.
In der Folge werden anhand der Figuren und von Beispielen einige Sensoren resp. Module beschrieben um die Erfindung näher zu beschreiben. Diese Figuren und Beispiele sollen aber den Gegenstand der Erfindung in keiner Weise einschränken.In the following, some sensors or. Modules described to describe the invention in more detail. These figures and examples are not intended to limit the subject matter of the invention in any way.
Mehrdimensionales moduläres MessystemMulti-dimensional modular measuring system
Figur 1 zeigt die Anordnung eines Messystems (Durchfluss) mit vier Modulen I, II, III und 13, einem potentiometrischen I und einem amperometrischen II Sensormodul je als Halbzellen ausgebildet, ein Modul mit dem Referenzelement 13 (zweite Halbzelle) , sowie einem optischen Modul III. Die Module sind mit der Ableitung 12 quer zu einem Träger 1 angeordnet. Sie werden durch par- allel zum Träger 1 angeordnete Schrauben 5, 6 dicht fixiert. Der Durchflusskanal 9 für die Probe/das Specimen eines einzelnen Moduls trifft exakt auf den des Nachbarmoduls und wird durch einen Gummiring gegen das Ausflie- ssen abgedichtet.Figure 1 shows the arrangement of a measuring system (flow) with four modules I, II, III and 13, a potentiometric I and an amperometric II sensor module each designed as half cells, a module with the reference element 13 (second half cell), and an optical module III . The modules are arranged with the derivative 12 transversely to a carrier 1. They are tightly fixed by screws 5, 6 arranged parallel to the support 1. The flow channel 9 for the sample / specimen of an individual module meets exactly that of the neighboring module and is sealed against leakage by a rubber ring.
Das potentiometrische ModulThe potentiometric module
Die Ionen-selektive Schicht wird beim poten- tiometrischen Modul I auf ein Sensorfeld gelegt und steht über den an dieser Stelle offenen Probekanal 9 mit der Probe/dem Specimen in Kontakt (siehe Figuren 1 und 2) . Das Modul wird in diesem Fall mit Wasser 7 thermostati- siert; es kann aber auch ein Peltierelement eingebaut oder das ganze System, sofern gewünscht, mit Luft thermo- statisiert werden. Basisteil 3 und Kopfteil 4 können bei- spielsweise unabhängig voneinander produziert und nach dem Einbringen der Schichtstruktur 8 mittels Befestigungselement, z.B. Schrauben 15, zusammengefügt / verschlossen werden. Das Kopfteil 4 enthält das Sensorelement mit der Schichtstruktur 8 und den Körper der Ableit- Vorrichtung 14, resp. die Ableitvorrichtung/das Ableitelement 12, hier ein Ableitelektrolyt und eine Ableitelektrode .In the potentiometric module I, the ion-selective layer is placed on a sensor field and is in contact with the sample / specimen via the sample channel 9 open at this point (see FIGS. 1 and 2). In this case, the module is thermostatted with water 7; however, a Peltier element can also be installed or, if desired, the entire system can be thermostatted with air. Base part 3 and head part 4 can, for example, be produced independently of one another and, after the layer structure 8 has been introduced, can be joined / closed using a fastening element, for example screws 15. The head part 4 contains the sensor element with the layer structure 8 and the body of the discharge device 14, respectively. the discharge device / the discharge element 12, here a discharge electrolyte and a discharge electrode.
Dieses Kopfteil 4 ist vorzugsweise so gestaltet, dass nur die Bestückung durch Sensorelemente nicht jedoch die Kunststoffkonstruktion wesentlich ändern. So können Kopf- und Basisteil in hohen Stückzahlen und damit kostengünstig produziert werden. Ferner wird dadurch die Austauschbarkeit der Module und damit die Flexibilität des Systems gewährleistet.This head part 4 is preferably designed in such a way that only the placement by sensor elements does not significantly change the plastic construction. In this way, the head and base part can be produced in large numbers and thus cost-effectively. This also ensures the interchangeability of the modules and thus the flexibility of the system.
Das Amperometrische Modul (Mediated biosensor electrodes)The amperometric module (Mediated biosensor electrodes)
Es hat sich nun gezeigt, dass ein amperome- trischer Biosensor Modultyp nach demselben Bauplan wie das potentiometrische Modul konstruiert werden kann (vgl. Figuren 1 und 3) . Die Ionen-selektive Schichtstruktur 8 des potentiometrischen (ISE) -Moduls wird dabei durch die Schichtstruktur 8 des Biosensors ersetzt. Das Ableitelement 12 besteht hier vorzugsweise aus einem Platindraht, der in direktem Kontakt mit der Schichtstruktur resp. der "Paste" steht. Die "Paste" enthält das gewünschte Enzym als Erkennungskomponente, sowie vorzugsweise TTF/TCNQ (Tetrathiafulvalen-p-tetracyanochinondimethan) als Mediatoren und ein Bulkmedium, z.B. Silikonoel. Entsprechende Pasten wurden bereits beschrieben [vgl. Korell, U.; Spichiger, U.E. Electroanalysis 6 (1994) 305-315]. Die Paste kann z.B. in Form einer Tablette angepasster Viskosität oder zusammen mit einem Träger (z.B. aus Polyole- fin) ins Kopfteil 4 eingesetzt, aufs Sensorfeld aufgelegt oder mit der auswechselbaren Ableitelektrode 12 verbunden eingebracht werden. In einer bevorzugten Ausführung bildet der Probekanal 9 zonenweise die Gegenelektrode. Beispielsweise besteht er zonenweise aus einem Platin- röhrchen. Das Referenzmodul 13 bleibt sich gleich wie beim potentio etrischen Modultyp. Es besteht vorzugsweise aus einer "free-flow free-diffusion" Elektrode, wie sie (nichtmodular) in Dohner, R.; Wegmann, D.; Morf, W.E.; Simon, W. Anal. Chem. 58 (1986) 2585-2589 beschrieben ist. Diese Elektrode hat sich im kontinuierlichen Betrieb als äusserst robust und interferenzarm erwiesen.It has now been shown that an amperometric biosensor module type can be constructed according to the same construction plan as the potentiometric module (cf. FIGS. 1 and 3). The ion-selective layer structure 8 of the potentiometric (ISE) module is replaced by the layer structure 8 of the biosensor. The diverting element 12 here preferably consists of a platinum wire, which resp. In direct contact with the layer structure. the "paste" is there. The "paste" contains the desired enzyme as a recognition component, and preferably TTF / TCNQ (tetrathiafulvalene-p-tetracyanoquinone dimethane) as mediators and a bulk medium, for example silicone oil. Corresponding pastes have already been described [cf. Korell, U .; Spichiger, UE Electroanalysis 6 (1994) 305-315]. The paste can be inserted into the head part 4, for example in the form of a tablet of adapted viscosity or together with a carrier (for example made of polyolefin), placed on the sensor field or introduced connected to the exchangeable lead electrode 12. In a preferred embodiment, the sample channel 9 forms the counterelectrode in zones. For example, it consists of a platinum tube in zones. The reference module 13 remains the same as with the potentio etric module type. It preferably consists of a "free-flow free-diffusion" electrode, as described (non-modular) in Dohner, R .; Wegmann, D .; Morf, WE; Simon, W. Anal. Chem. 58 (1986) 2585-2589. In continuous operation, this electrode has proven to be extremely robust and low in interference.
Das optische SensormodulThe optical sensor module
Es wurde ebenfalls gefunden, dass auch optische Sensoren für die kontinuierliche, robuste Messtechnik verwendet werden können. Der Aufbau eines erfindungs- gemässen Moduls ist wie folgt:It has also been found that optical sensors can also be used for continuous, robust measurement technology. The structure of a module according to the invention is as follows:
Das optische Sensormodul ist wiederum so kon- struiert, dass lediglich die SensorelementeThe optical sensor module is in turn designed so that only the sensor elements
(Schichtstruktur 8 und Ableitvorrichtung 12) im Kopfteil des Moduls ändern (vgl. Figuren 1, 4 und 5). Vorzugsweise soll ein wegwerfbares (disposable) Element als Wellenleiter verwendet werden, auf dem die Schichtstruktur z.B. aufgezogen bzw. mindestens ein Selektivitätsprinzip realisiert/angekoppelt wird. Der Wellenleiter kann gleichzeitig den Transduktionsschritt ermöglichen und als Ableitvorrichtung 12 für die Ableitung zuständig sein. Wellenleiter können z.B. beschichtete Gitterkoppler sein, welche auf das Sensorfeld, die selektive Schichtstruktur 8, aufgebracht oder im Kopfteil 4 eingelegt/eingebaut werden. Die Messgrösse bei optischen Sensoren kann z.B. durch Messungen der Absorpiton/Absorbanz im ATR-Modus (attenuated reflection) [vgl. Spichiger, U.E.; Freiner, D.; Lerchi, M.; Bakker, E.; Dohner, R. ; Simon, W. SPIE Vol 1796 (1992) 371-382], durch Messungen von Brechungs- indexänderungen [vgl. Freiner, D.; Kunz, R.E.; Citterio, D.; Spichiger, U.E.; Gale, M.T. Sensors and Actuators B 29 (1995) 277-285], durch Messung der optischen Dehnung, der Phasenverschiebung, der Reflektion oder der Lumineszenz-Zerfallszeit oder durch die Ableitung der Lumines- zenzemission gebildet werden.(Layer structure 8 and derivation device 12) change in the head part of the module (see FIGS. 1, 4 and 5). A disposable element should preferably be used as the waveguide, on which the layer structure is, for example, grown or at least one selectivity principle is implemented / coupled. The waveguide can simultaneously enable the transduction step and be responsible for the derivation as a derivation device 12. Waveguides can be coated grating couplers, for example, which are applied to the sensor field, the selective layer structure 8, or are inserted / installed in the head part 4. The measurement variable for optical sensors can, for example by measurements of the absorption / absorbance in ATR mode (attenuated reflection) [cf. Spichiger, UE; Freiner, D .; Lerchi, M .; Bakker, E .; Dohner, R.; Simon, W. SPIE Vol 1796 (1992) 371-382], by measuring refractive index changes [cf. Freiner, D .; Kunz, RE; Citterio, D .; Spichiger, UE; Gale, MT Sensors and Actuators B 29 (1995) 277-285], by measuring the optical strain, the phase shift, the reflection or the luminescence decay time or by deriving the luminescence emission.
Die Lichtenergie kann von ausserhalb des Moduls über eine optische Faser oder andere optische Wellenleiter eingestrahlt werden oder die Lichtquelle kann durch die Implementierung von Dioden (Emissionsdiode 17 , LED) in den Kopf des Moduls integriert werden. Auch eine Detektordiode 16 kann in den Kopf des Moduls integriert werden (vgl. Figur 5) . Die Ableitvorrichtung 12 ist beispielsweise ein elektrisches Kabel.The light energy can be radiated in from outside the module via an optical fiber or other optical waveguide or the light source can be integrated into the head of the module by the implementation of diodes (emission diode 17, LED). A detector diode 16 can also be integrated in the head of the module (cf. FIG. 5). The discharge device 12 is, for example, an electrical cable.
In allen diesen Modultypen können die Schichtstruktur 8 und die Ableitvorrichtung 12 getrennt, d.h. einzeln auswechselbar vorliegen. Dadurch wird die vielfältige Verwendbarkeit des Systems optimiert und die Kosten minimiert. Durch den ähnlichen Aufbau der Module lassen sich diese optimal kombinieren, so dass sie die simultane und kontinuierliche Messung verschiedener Parameter in der Probe ermöglichen.In all of these module types, the layer structure 8 and the diverter 12 can be separated, i.e. individually exchangeable. This optimizes the versatility of the system and minimizes costs. Due to the similar structure of the modules, they can be optimally combined so that they enable the simultaneous and continuous measurement of various parameters in the sample.
Es ist ferner möglich, das Ableitelement 12 auswechselbar zum Körper 14 zu konstruieren, so dass dieses Element ausgetauscht werden kann, ohne einen gegebe- nenfalls teure Elektronik enthaltenden Kopf 14 ebenfalls auswechseln zu müssen. BeispieleIt is also possible to construct the diverting element 12 so that it can be exchanged for the body 14, so that this element can be exchanged without having to also replace a head 14 which may contain expensive electronics. Examples
ErkennungskomponentenRecognition components
Wesentlich für jedes Modul ist das Selektivitätsprinzip bzw. der Erkennungsschritt, beispielsweise durch eine Erkennungskomponente. Potentiometrie : Speziell für die Potentiometrie geeignete Er- kennungskomponenten sind selektive Komplexbildner. Einige werden in der Folge näher beschrieben.The principle of selectivity or the recognition step, for example by means of a recognition component, is essential for each module. Potentiometry: Detection components that are especially suitable for potentiometry are selective complexing agents. Some are described in more detail below.
Die Magnesi um-sel ekti ven Komplexbildner ETH 3832 und ETH 5506 haben sich als die bei weitem effektivsten Liganden erwiesen [vgl. Spichiger, U.E.; Rumpf, G.; Haase, E.; Simon, W.; Schweiz .Med.Wschr . 121 (1991) 1875- 1879; Spichiger U.E.-, Electroanalysis 5 (1993) 739-745]. Allerdings ist deren optimale Selektivität gebunden an eine optimierte Zusammensetzung der Schicht oder Membran [vgl. Spichiger U.E.; Eugster, R. ; Citterio, D.; Li, H.; Schmid, A. und Simon, W. (1993) , Magnesium activity measurements: facts and enthusiasm, In: Golf, S.; Dralle, D.; Vecchiet, L. (Ed.), Magnesi um 1993, John Libbey & Co Ltd., Seiten 49-60]. Die zur Zeit optimale Zusammensetzung ist die folgende:The magnesi selectively complexing agents ETH 3832 and ETH 5506 have proven to be by far the most effective ligands [cf. Spichiger, U.E .; Rumpf, G .; Haase, E .; Simon, W .; Switzerland .Med.Wschr. 121: 1875-1879 (1991); Spichiger U.E., Electroanalysis 5 (1993) 739-745]. However, their optimal selectivity is linked to an optimized composition of the layer or membrane [cf. Spichiger U.E .; Eugster, R.; Citterio, D .; Li, H .; Schmid, A. and Simon, W. (1993), Magnesium activity measurements: facts and enthusiasm, In: Golf, S .; Dralle, D .; Vecchiet, L. (Ed.), Magnesi around 1993, John Libbey & Co Ltd., pages 49-60]. The optimal composition at the moment is as follows:
Ligand ETH 3832 oder ETHT 5506 1 - 2 Gew.-% Weichmacher ETH 8045 ca. 62 Gew.-%Ligand ETH 3832 or ETH T 5506 1 - 2% by weight plasticizer ETH 8045 approx. 62% by weight
KTpClPB (Kalium tetrakis [3, 5-bis (trifluoro- methyl) phenyljborat) 155 mol % relativ zum Ligand PVC bzw. Hydroxy-PVC ca. 35 Gew.-%.KTpClPB (potassium tetrakis [3,5-bis (trifluoromethyl) phenyljborate) 155 mol% relative to the ligand PVC or hydroxy-PVC approx. 35% by weight.
Die Liganden sind beschrieben in Spichiger U.E.; Eugster, R.; Citterio, D.; Li, H.; Schmid, A. und Simon, W. (1993), Magnesium activity measurements: facts and enthusiasm, In: Golf, S.; Dralle, D.; Vecchiet, L. (Ed.), Magnesi um 1993, John Libbey & Co Ltd., Seiten 49- 60 und 0' Doneil, J.; Hongbin,L.; Rusterholz, B.; Pedraz- za, U.; Simon, W.; Anal. Chim. Acta 281 (1993) 129-134, die Weichmacher unter Eugster, R.; Rosatzin, T.; Rusterholz, B.; Aebersold, B.; Pedrazza, U. ; Rüegg, D.; Schmid, A. ; Spichiger, U.E.; Simon, W.; Plasticizers for liquid polymeric membranes of ion-selective chemical sensors, Anal . Chim. Acta, 289(1994) 1-13. Anstelle von ETH 3832 können auch weitere lipophile, höher alkylierte Derivate verwendet werden wie z.B. das Dodecyl-Derivat ETH 5405 (Spichiger U.E., El ectroanalysis, 5 (1993) 739-745). Anstelle von ETH 8045 als Weichmacher kann ETH 5373, ETH 220 u.a. eingesetzt werden.The ligands are described in Spichiger UE; Eugster, R .; Citterio, D .; Li, H .; Schmid, A. and Simon, W. (1993), Magnesium activity measurements: facts and enthusiasm, In: Golf, S .; Dralle, D .; Vecchiet, L. (Ed.), Magnesi around 1993, John Libbey & Co Ltd., pages 49- 60 and 0 'Doneil, J .; Hongbin, L .; Rusterholz, B .; Pedraz- za, U .; Simon, W .; Anal. Chim. Acta 281 (1993) 129-134, the plasticizers under Eugster, R .; Rosatzin, T .; Rusterholz, B .; Aebersold, B .; Pedrazza, U.; Rüegg, D .; Schmid, A.; Spichiger, UE; Simon, W .; Plasticizers for liquid polymeric membranes of ion-selective chemical sensors, anal. Chim. Acta, 289 (1994) 1-13. Instead of ETH 3832, other lipophilic, higher alkylated derivatives can be used, such as the dodecyl derivative ETH 5405 (Spichiger UE, El ectroanalysis, 5 (1993) 739-745). Instead of ETH 8045 as a plasticizer, ETH 5373, ETH 220 and others can be used.
Zur Herstellung der selektiven Schicht werden die Komponenten in einem flüchtigen organischen Lösung- mittel gelöst (z.B. THF, Chloroform, Methylenchlorid, Cy- clohexanon und Gemische) . Die selektive Schicht wird ge- mäss Oesch, U. ; Brzozka, Z.; Xu, A. ; Rusterholz, B.; Su- ter, G.; Pharm, H.V., Welti, D.H.; Ammann, D.; Pretsch, E.; Simon, W.; Anal.Chem. 58 (1986) 2285 hergestellt. Die Schicht/Membran kann zur Erhöhung der Biokompatibilität der Oberfläche z.B. mit einem Polyurethan-Präparat, in THF gelöst, überzogen werden. Dazu wird die Membran auf einem Glasplättchen trocknen gelassen. Das Glasplättchen, z.B. mit einem Durchmesser 1.8 cm, wird auf einer mit 600-1000 rpm rotierenden Scheibe fixiert. Nun wird mit einer Spritze 0.5-1.0 ml einer Lösung mit 0.3-3.0 Gew.-% Polyurethan (z .B.Tekoflex EG-80A, EG-85A (Thermedics, Wo- burn) ) aufgespritzt und danach eintrocknen gelassen. Derart wird eine Schichtstruktur mit vorteilhaften Eigen- schaffen erzeugt. Der Vorteil dieser Behandlung ist, dass eine gegenüber Adsorptionen aus der biologischen Probe robuste Oberfläche geschaffen wird, ohne die Eigenschaften der selektiven Schicht oder deren Ansprechzeit wesentlich zu verändern. Jede Veränderung der Zusammensetzung kann zum teilweisen Verlust der Selektivität und Sensitivität führen. Eine Synthese für den Liganden ETHT 5506 ist in O'Donnell, J.; Hongbin, L.; Rusterholz, B.; Pedrazza, U.; Simon, W.. Anal. Chim. Acta 281 (1993) 129-134 beschrieben. Diese schliesst zahlreiche Zwischenprodukte ein, welche chromatographisch zu reinigen sind. Die Synthese wurde deshalb in den folgenden Schritten vereinfacht:To produce the selective layer, the components are dissolved in a volatile organic solvent (for example THF, chloroform, methylene chloride, cyclohexanone and mixtures). The selective layer is according to Oesch, U.; Brzozka, Z .; Xu, A.; Rusterholz, B .; Suter, G .; Pharm, HV, Welti, DH; Ammann, D .; Pretsch, E .; Simon, W .; Anal.Chem. 58 (1986) 2285. To increase the biocompatibility of the surface, the layer / membrane can be coated, for example, with a polyurethane preparation dissolved in THF. To do this, the membrane is left to dry on a glass plate. The glass plate, for example with a diameter of 1.8 cm, is fixed on a disk rotating at 600-1000 rpm. Now 0.5-1.0 ml of a solution with 0.3-3.0% by weight of polyurethane (e.g. Tekoflex EG-80A, EG-85A (Thermedics, Woburn)) is sprayed on with a syringe and then left to dry. In this way, a layer structure with advantageous properties is created. The advantage of this treatment is that a surface that is robust against adsorption from the biological sample is created without significantly changing the properties of the selective layer or its response time. Any change in the composition can lead to a partial loss of selectivity and sensitivity. A synthesis for the ligand ETH T 5506 is in O'Donnell, J .; Hongbin, L .; Rusterholz, B .; Pedrazza, U .; Simon, W .. Anal. Chim. Acta 281 (1993) 129-134. This includes numerous intermediate products which have to be cleaned chromatographically. The synthesis was therefore simplified in the following steps:
Entschützung des mit einer Phthaloyl-Schutz- gruppe geschützten 1, 3, 5-tris (aminopentyl) benzols durch Reduktion des Phthalids zum Triamidtriol (NaBH4, i-PrOH/ H2O 17/3; 12h RT) mit 92% Ausbeute und Pyrolyse des Tria- midtriols (170-200°C, 4 atm im Kugelrohr) mit Abdestilla- tion des Phthalids und anschliessender Destillation des Triamins (200°C, Hochvakuum im Kugelrohr) im selben Schritt mit 95% Ausbeute.Deprotection of the 1, 3, 5-tris (aminopentyl) benzene protected with a phthaloyl protective group by reduction of the phthalide to the triamidetriol (NaBH4, i-PrOH / H2O 17/3; 12h RT) with 92% yield and pyrolysis of the tria - midtriols (170-200 ° C, 4 atm in the Kugelrohr) with distillation of the phthalide and subsequent distillation of the triamine (200 ° C, high vacuum in the Kugelrohr) in the same step with 95% yield.
Auch die Synthese des als 4-Nitrophenylester aktivierten 1-Adamantyl-methyl-malonmonoamid-Bausteins wurde effizienter gestaltet. Die Synthese des Adamantyla- ins aus N-Adamantylmethyltrifluoroacetamid liefert schlechte und nicht reproduzierbare Ausbeuten des sek. A ins . Diese Probleme konnten gelöst werden, indem die Hydrolyse des Trifluoroacetamids mit KOH/18-crown-6 in THF ausgeführt wurde. Als Ausgangsprodukt wurde das wesentlich billigere Adamantylhydrochlorid verwendet und dieses mit Methyliodid methyliert. Das methylierte Ada- mantylamin wurde mit dem Malondimethylester am Rückfluss kontinuierlich zum Adamantyl-methyl-malondiamid umgesetzt. Das Produkt fällt aus der Mutterlauge aus und kann abfiltriert werden (80% Ausbeute) . Unreagiertes Adaman- tyl-methylamin kann leicht rückisoliert werden. Der als 4-Nitrophenylester aktivierte Baustein 1-Adamantyl- methyl-malonmonoamid wird mit 40% Ausbeute über beide Stufen erhalten.The synthesis of the 1-adamantyl-methyl-malonmonoamide building block activated as 4-nitrophenyl ester was also made more efficient. The synthesis of Adamantyla- ins from N-Adamantylmethyltrifluoroacetamid provides poor and non-reproducible yields of the sec. A ins. These problems could be solved by performing the hydrolysis of the trifluoroacetamide with KOH / 18-crown-6 in THF. The much cheaper adamantyl hydrochloride was used as the starting product and this was methylated with methyl iodide. The methylated adamantylamine was continuously refluxed with the malondimethyl ester to give the adamantyl-methyl-malondiamide. The product precipitates from the mother liquor and can be filtered off (80% yield). Unreacted adamantyl methylamine can easily be isolated again. The building block 1-adamantyl-methyl-malonmonoamide activated as 4-nitrophenyl ester is obtained in 40% yield over both stages.
Liganden für die Bestimmung von Schwermetal l en insbesondere Blei :Ligands for the determination of heavy metals, especially lead:
Zur Bestimmung von Blei in Trink-, Grund- und Abwasser wurden lipophile 19-Di- und trithiacrown-6 Isologe als PbOH+-selektive Liganden entwickelt. Früher entwickelte Liganden zeigten eine Kupferselektivität, wel- ehe für die Analyse von Wasserproben ungenügend war und die selektive Analyse von Bleiionen nicht erlaubten [vgl. Lerchi, M.; Bakker, E.; Rusterholz, B.; Simon, W. Anal. Chem. 64 (1992) 1534 ff.; KTI-Projekt Nr. 2692.1; EUREKA- Projekt "ASREM" EU 1013]. Die Liganden 18, 18-Bis- (dode- cyloxymethyl) -1,4, 13, 16-tetraoxa-7, 10-dithiacyclonona- decan (5) und 18, 18-Bis- (dodecyloxymethyl) -1, 7, 10, 16- tetraoxa-4, 13-dithiacyclononadecan (7) wurden synthetisiert und in klassische Ionen-selektive PVC-Membranen mit Ethyl-hexylsebacat (DOS) bzw. Dibutylsebacat (DBS) als Weichmacher und 30 mol% Kalium tetrakis [3, 5-bis (trifluo- romethyl) -phenyl] borat eingebracht. Die Selektivitätsmuster der beiden Liganden wurden mit der Methode der getrennten Lösungen nach IUPAC potentiometrisch bestimmt. Sie zeichnen sich durch eine Diskriminierung von Kupferionen um einen Faktor von 10~5«8 aus und durch eine Diskriminierung von Alkaliionen um einen Faktor von < 10-3 (molale Konzentrationseinheiten) . Auch hier kann der bedeutende Einfluss des Weichmachers bzw. des Mediums, der Umgebung, beobachtet werden. Bevorzugte Weichmacher resp. Medien sind ETH 8045, ETH 220 [beschrieben in Eugster, R.; Rosatzin, T.; a.a.O. S. 26, Zeile 27], Bis (2- ethylhexyl) adipate (Fluka Chemie AG, Selectophore) .Lipophilic 19-di- and trithiacrown-6 isologues as PbOH + -selective ligands were developed for the determination of lead in drinking water, groundwater and waste water. Previously developed ligands showed copper selectivity, which before the analysis of water samples was insufficient and the selective analysis of lead ions did not allow [cf. Lerchi, M .; Bakker, E .; Rusterholz, B .; Simon, W. Anal. Chem. 64 (1992) 1534 ff .; CTI project No. 2692.1; EUREKA project "ASREM" EU 1013]. Ligands 18, 18-bis (dodecyloxymethyl) -1,4, 13, 16-tetraoxa-7, 10-dithiacyclononecane (5) and 18, 18-bis (dodecyloxymethyl) -1, 7, 10 , 16-tetraoxa-4, 13-dithiacyclononadecane (7) were synthesized and into classic ion-selective PVC membranes with ethyl hexyl sebacate (DOS) or dibutyl sebacate (DBS) as plasticizers and 30 mol% potassium tetrakis [3, 5- bis (trifluoromethyl) phenyl] borate. The selectivity patterns of the two ligands were determined potentiometrically using the IUPAC separate solution method. They are characterized by a discrimination of copper ions by a factor of 10 ~ 5 « 8 and by a discrimination of alkali ions by a factor of <10 -3 (molar concentration units). The significant influence of the plasticizer or the medium, the environment, can also be observed here. Preferred plasticizers, respectively. Media are ETH 8045, ETH 220 [described in Eugster, R .; Rosatzin, T .; loc. p. 26, line 27], bis (2-ethylhexyl) adipate (Fluka Chemie AG, Selectophore).
Synthese und Verwendung von Chromogenen Liganden für Karbonat, Feuchtigkeit und primäre AlkoholeSynthesis and use of chromogenic ligands for carbonate, moisture and primary alcohols
Verschiedene Trifluoroacetylanilin Derivate wurden von Keller-Lehmann, B . ; Diss ETH Nr. 9255, Trifluo- roacetophenon-Derivate als carbonatselektive Ionophore in PVC-Flüssigmembranelektroden (1990) hergestellt und als reaktive Erkennungskomponenten für die selektive Bestimmung von Karbonat, Feuchtigkeit und primäre Alkohole vor- geschlagen. Die Erkennungsreaktion besteht in der Bildung eines Halbazetals und ist reversibel. Die Liganden wurden in Optoden- und Elektrodenmembranen mit Erfolg eingesetzt [vgl. Wild, R.; Citterio, D.; Spichiger, J.; Spichiger U.E. J. Biotech. 50 (1996) 37-46]. Für die Detektion in optischen Sensoren wird bei einer Wellenlänge von ca. 305 nm die Abnahme der Absorbanz der aromatischen Trifluo- roacetylgruppe als Folge der Halbazetalbildung beobachtet. Diese Wellenlänge eignet sich jedoch schlecht für die Konstruktion von mobilen, kostengünstigen Sensorelementen. Es wurde daher eine Gruppe von Chromogenen Re- aktanden entwickelt, welche im sichtbaren Bereich des Spektrums absorbieren und dennoch die Selektivität gegenüber den erwähnten Substanzen beibehalten. Es sind dies N, N-disubstituierte-aminophenyl-4' -trifluoracetyl- azobenzole, N,N-disubstituierte-aminonaphthalin-4' - trifluoracetyl-azobenzole, 4-Trifluoroacetyl-4' - (N,N- disubstituierte-amino) stilbene und disubstiuierte -p- amino-trifluoroacetylstilbene, wie , -dioctylamino- phenyl-4 ' -trifluoroacetyl-azobenzen, N,N-dioctylamino- naphtalin-4 ' -trifluoroacetyl-azobenzen, 4-Trifluoroace- tyl-4 '- (di-N-octylamino) stilben und p-Dialkylamino-tri- fluoroacetylstilbene . Diese werden hergestellt nach den Schemata 1 bis 3. Die Synthese der Stilbenderivate erfolgte aus l-Iodo-4-dialkylamino-benzol und l-Brom-4- ethenylbenzol mit nachfolgender Azetylierung mit Trifluo- roacetylmethylester . Die Substitute sind langkettig und lipophil. Sie unterscheiden sich in der elektroneninduzierenden Wirkung. Ueblicherweise sollte ihre Lipophilie mind. 3 nach Hansch sein.Various trifluoroacetylaniline derivatives have been described by Keller-Lehmann, B. ; Diss ETH No. 9255, trifluoroacetophenone derivatives as carbonate-selective ionophores in PVC liquid membrane electrodes (1990) and proposed as reactive recognition components for the selective determination of carbonate, moisture and primary alcohols. The recognition reaction consists in the formation of a hemiacetal and is reversible. The ligands have been successfully used in optode and electrode membranes [see. Wild, R .; Citterio, D .; Spichiger, J .; Talking UEJ Biotech. 50 (1996) 37-46]. For the detection in optical sensors, the decrease in the absorbance of the aromatic trifluoroacetyl group as a result of the hemiacetal formation is observed at a wavelength of approximately 305 nm. However, this wavelength is poorly suited for the construction of mobile, inexpensive sensor elements. A group of chromogenic reactants was therefore developed which absorb in the visible region of the spectrum and nevertheless retain the selectivity for the substances mentioned. These are N, N-disubstituted-aminophenyl-4 '-trifluoroacetyl-azobenzenes, N, N-disubstituted-aminonaphthalene-4' - trifluoroacetyl-azobenzenes, 4-trifluoroacetyl-4 '- (N, N-disubstituted-amino) stilbene and disubstituted -p-amino-trifluoroacetylstilbenes, such as, -dioctylamino-phenyl-4 '-trifluoroacetyl-azobenzen, N, N-dioctylamino-naphtalin-4' -trifluoroacetyl-azobenzen, 4-trifluoroacetyl-4 '- (di- N-octylamino) stilbene and p-dialkylamino-trifluoroacetylstilbene. These are prepared according to schemes 1 to 3. The synthesis of the stilbene derivatives was carried out from l-iodo-4-dialkylamino-benzene and l-bromo-4-ethenylbenzene with subsequent acetylation with trifluoroacetyl methyl ester. The substitutes are long-chain and lipophilic. They differ in the electron-inducing effect. Usually your lipophilicity should be at least 3 according to Hansch.
Die chromophoren Reaktanden können kovalent z.B. an Acrylat- und Methacrylat gebunden und in Poly- mermembranen immobilisiert werden. BemerkungenThe chromophoric reactants can be covalently bound, for example, to acrylate and methacrylate and immobilized in polymer membranes. Remarks
C12H25OH Schwefelsäure/ 120 °CC 1 2H25OH sulfuric acid / 120 ° C
+ 2 C12H2SBr Kaliumcarbonat/DMF
Figure imgf000033_0001
+ 2 C 12 H 2S Br potassium carbonate / DMF
Figure imgf000033_0001
~ NH + Rhodamin B-S02C1 oder Carbocyanin-COOH/DCC ~ N H + Rhodamine B-S0 2 C1 or C ar b ocyanin-COOH / DCC
Schema 1Scheme 1
H_N-Fluorophor
Figure imgf000033_0002
H_N fluorophore
Figure imgf000033_0002
Schema 2Scheme 2
Figure imgf000033_0003
Figure imgf000033_0003
BuLi CF3COOCH3BuLi CF3COOCH3
Schema 3 Herstellung von optischen selektiven Schichten für die Nitrit-, NOy- und Chlorid-BestimmungScheme 3 Production of optical selective layers for nitrite, NO y and chloride determination
Auf der Basis von bekannten Nitrit-, NOχ- und Chlorid-selektiven Liganden (Nitritionophore I, Fluka Chemie AG, Buchs, Schweiz; Chlorid-selektiver Ligand ETH 9033 [vgl. Rothmaier, M.; Quecksilberorganische Verbindungen als neutrale Anionocarrier in ionenselektiven PVC- Flüssigmembranen. Diss. ETH Nr. 10812, 1994] wurden Schichten/Membranen für optische Sensorelemente herge- stellt. Dazu wurde eine H+-selektiver ChromoionophorBased on known nitrite, NO χ - and chloride-selective ligands (Nitritionophore I, Fluka Chemie AG, Buchs, Switzerland; chloride-selective ligand ETH 9033 [see Rothmaier, M .; mercury-organic compounds as neutral anion carriers in ion-selective PVC - Liquid membranes, Diss. ETH No. 10812, 1994], layers / membranes for optical sensor elements were produced by using an H + -selective chromoionophore
(Chromoionophor I, II und VI für Nitrit; Chromoionophor III für Chlorid, Fluka Chemie AG, Buchs, Schweiz) mit dem Nitrit- bzw. Chlorid-selektiven Liganden und, wo dies zur Ladungskompensation notwendig ist, gemeinsam mit anioni- sehen bzw. kationischen lipophilen Hilfsstoffen in einer DOS-plastifizierten PVC-Schicht gelöst. Die Absorbanzän- derung als Folge der Koextraktion des Anions zusammen mit H+ aus der gepufferten Probelösung wird photometrisch bestimmt und folgt der Konzentrationsänderung des Anions. Für Ni tri t liegt der Messbereich zwischen(Chromoionophore I, II and VI for nitrite; Chromoionophore III for chloride, Fluka Chemie AG, Buchs, Switzerland) with the nitrite- or chloride-selective ligand and, where necessary for charge compensation, together with anionic or cationic lipophilic excipients dissolved in a DOS plasticized PVC layer. The change in absorbance as a result of the co-extraction of the anion together with H + from the buffered sample solution is determined photometrically and follows the change in the concentration of the anion. For Ni tri t the measuring range is between
0.24 bis 5000 mg kg~l, Chlorid wird mit einem Selektivi- tätsfaktor von 10~2-9 (molale Einheiten) diskriminiert. Der Messbereich und, vom Messbereich abhängig, auch die Ansprechgeschwindigkeit ändern mit dem verwendeten Chro- moionophoren; die Chromoionophoren zeigen verschiedene0.24 to 5000 mg kg ~ l, chloride is discriminated with a selectivity factor of 10 ~ 2 - 9 (molar units). The measuring range and, depending on the measuring range, also the response speed change with the chro- moionophor used; the chromoionophores show different ones
Stabilität. Die Implementierung mehrerer Optodenschichten für die Nitritbestimmung oder einer Nitrit-selektiven Op- tode und Elektrode in einem System kann, der Fragestellung entsprechend, wünschenswert sein. Die Nitrit- selektive Membran mit Chromoionophore VI als Indikator zeigt eine Lumineszenzemission im sichtbaren Bereich des Spektrums und kann deshalb auch als Lumineszenz-aktive Schicht eingesetzt werden.Stability. The implementation of several optode layers for the determination of nitrite or a nitrite-selective optode and electrode in a system can be desirable depending on the question. The nitrite-selective membrane with Chromoionophore VI as an indicator shows a luminescence emission in the visible range of the spectrum and can therefore also be used as a luminescence-active layer.
Die oben erwähnten Liganden haben bevorzugte Anwendungsgebiete, sie können aber generell in optischen, potentiometrischen und beliebigen weiteren Systemen als Selektivitätsprinzip zur Anwendung kommen, gegebenenfalls in Kombination mit weiteren Schichten, gegebenenfalls auch zur Bestimmung von Gasen und flüchtigen Substanzen.The above-mentioned ligands have preferred fields of application, but they can generally be used in optical, potentiometric and any other systems as a selectivity principle, if appropriate in combination with other layers, if necessary also for the determination of gases and volatile substances.
Sauerstoffbestimmung mit optischen SensorenOxygen determination with optical sensors
Insbesonders für die Sauerstoffbestimmung mit optischen Sensoren wurde ein neues Selektionssystem entwickelt . Ru (II) -Komplexe mit organische Liganden, insbesondere Ru (II) - (4, 7-diphenyl-l, 10-phenantrolin) 3 Komplexe wurden in den letzten Jahren für die Bestimmung des Sauerstoff-Partialdruckes in Lösung eingeführt. Der Ru (II) -Komplex dient dabei gleichzeitig als Erkennungs- und Transdukti onskomponente . Dabei wird ausgenützt, dass die Lumineszenzemission der Komplexe durch 02 gequencht d.h. unterdrückt wird. Die Anregung findet bei 470 nm statt, das Emissionsmaximum liegt bei 607-624 nm j e nach Umgebung/Bulk der Schicht. Die bekannten Ru (II) -Komplexe sind trotz ihrer Assoziation an organische Liganden sehr hydrophil und können deshalb schlecht in einer apolaren Schicht gelöst werden. Erst durch Einführung lipophiler Gruppen am Phenylrest, beispielsweise die Alkylierung des Phenylre- stes in '-Position wurde dies möglich. Insbesondere Pro- pyl- bis Dodecyl-, speziell bevorzugt Propyl- bis Octyl-, ganz speziell bevorzugt Propyl- bis Heptyl-Derivate sind geeignete Indikatoren für gelösten Sauerstoff in apolarer Membranumgebung. Das Auswaschen kann durch Ionenpaarbil- düng mit lipophilen Anionen bzw. Immobilisierung weiter verlangsamt werden. Solche Komplexe lassen sich in 3 Schritten gemäss Schema 4 und nachfolgendem Reinigungs- prozess herstellen. Die Herstellung von 4-Heptyl-ß-chlor- propiophenon [nach Case, F., Strohm, P.F., J. Org. Chem. 27 (1962) 1641 ff.] erfolgte aus 1-Phenylheptan und 3-A new selection system was developed especially for oxygen determination with optical sensors. Ru (II) complexes with organic ligands, especially Ru (II) - (4, 7-diphenyl-l, 10-phenantroline) 3 complexes have been introduced in the past few years for the determination of the oxygen partial pressure in solution. The Ru (II) complex serves simultaneously as a recognition and transduction component. This takes advantage of the fact that the luminescence emission of the complexes is quenched by 02, i.e. is suppressed. The excitation takes place at 470 nm, the emission maximum is at 607-624 nm depending on the environment / bulk of the layer. The known Ru (II) complexes, despite their association with organic ligands, are very hydrophilic and can therefore hardly be dissolved in an apolar layer. This was only possible by introducing lipophilic groups on the phenyl radical, for example by alkylating the phenyl radical in the 'position. In particular, propyl to dodecyl, particularly preferably propyl to octyl, very particularly preferably propyl to heptyl derivatives are suitable indicators of dissolved oxygen in apolar membrane surroundings. Washing out can be further slowed down by ion pair formation with lipophilic anions or immobilization. Such complexes can be produced in 3 steps according to Scheme 4 and the subsequent cleaning process. 4-Heptyl-ß-chloropropiophenone [according to Case, F., Strohm, P.F., J. Org. Chem. 27 (1962) 1641 ff.] Was produced from 1-phenylheptane and 3-
Chlorpropionsäurechlorid, die Herstellung von 4,7-bis(4'- heptylphenyl) -1, 10-phenanthrolin [nach Lund, G.K., Holt, S.L., J. Chem. Eng. Data, 26 (1981) 277 ff.] aus 1,2- Phenylendiamin und 4-Heptyl-ß-chlorpropiophenon, und die Herstellung des Ruthenium (II ) -Komplexes, Ru(II)[-4,7- bis (4' -heptylphenyl) -1, 10-phenanthrolin]3 [nach Wolfbeis, O.S., et al., Anal. Chem. 60 (1988) 2028 ff.] aus 4,7- bis (4' -heptylphenyl) -1, 10-phenanthrolin und RUCI3.Chloropropionic acid chloride, the preparation of 4,7-bis (4'-heptylphenyl) -1, 10-phenanthroline [according to Lund, GK, Holt, SL, J. Chem. Eng. Data, 26 (1981) 277 ff.] From 1,2-phenylenediamine and 4-heptyl-ß-chloropropiophenone, and the preparation of the ruthenium (II) complex, Ru (II) [- 4,7- bis (4 ' -heptylphenyl) -1, 10-phenanthroline] 3 [according to Wolfbeis, OS, et al., Anal. Chem. 60 (1988) 2028 ff.] From 4,7- bis (4'-heptylphenyl) -1, 10-phenanthroline and RUCI3.
Figure imgf000036_0001
Figure imgf000036_0001
Figure imgf000036_0002
Figure imgf000036_0002
Schema 4 Die Reinigung erfolgte mit Hexan/Wasser, Ace- ton/Wasser und Aktivkohle, Umkristallisieren aus Aceton/- Wasser, Säulenchromatographie mit Dichlormethan/Aceton oder Chloroform.Scheme 4 The cleaning was carried out with hexane / water, acetone / water and activated carbon, recrystallization from acetone / water, column chromatography with dichloromethane / acetone or chloroform.
Analoge Synthese für das Propyl- oder Butyl- Derivat wird ausgehend von 4-Propyl-ß-chlorpropiophenon resp. 4-Butyl-ß-chlorpropiophenon durchgeführt.Analog synthesis for the propyl or butyl derivative is based on 4-propyl-ß-chlorpropiophenon resp. 4-Butyl-ß-chlorpropiophenon performed.
Die Anregung in erfindungsgemässen Modulen wird vorzugsweise über einen Wellenleiter oder eine Diode im Kopfteil des Sensormoduls vorgenommen. Die Luminszen- zemission wird auf dieselbe Art abgeleitet. Die Messgrösse bzw. das Messignal wird durch die Aenderung der Emissionsintensität bei 607 bis 624 nm gebildet. Diese Mess- grösse wird mit dem Signal einer Lösung mit bekanntem 02~ Partialdruck verglichen was zur Information über die Zielsubstanz führt.The excitation in modules according to the invention is preferably carried out via a waveguide or a diode in the head part of the sensor module. The luminescence emission is derived in the same way. The measurement variable or the measurement signal is formed by changing the emission intensity at 607 to 624 nm. This measured variable is compared with the signal of a solution with a known 02 ~ partial pressure, which leads to information about the target substance.
Weiter wurde auch die Lebensdauer der Lumineszenzemission in plastifizierten Polymeren untersucht. Diese zeigte gute Resultate. Die Messung der Abklingzeit eignet sich speziell zur Realisierung von kalibrations- freien Systemen. Komplexe der genannten Liganden mit Lanthaniden (z.B. Eu, La) führen zu weiteren attraktiven Verbindungen mit verlängerter Lebensdauer für die Mes- sung der Lumineszenz-Abklingzeit.The lifetime of the luminescence emission in plasticized polymers was also examined. This showed good results. The measurement of the decay time is particularly suitable for the implementation of calibration-free systems. Complexes of the ligands mentioned with lanthanides (e.g. Eu, La) lead to further attractive compounds with an extended lifespan for measuring the luminescence decay time.
Der Einsatz der Ru (II) -Komplexe in der organischen Phase von Umkehrmizell-Systemen [vgl. Vaillo et al, AMI 2/3 (1995) 145-153] führt zu einfachen und direkten Indikatorschichten für die Bestimmung der Aktivität von Oxidasen (z.B. für Laktat, Glutamat, Glucoseoxidase, Hypoxanthin, Peroxidase) z.B. über den Sauerstoffverbrauch.The use of Ru (II) complexes in the organic phase of reverse micelle systems [cf. Vaillo et al, AMI 2/3 (1995) 145-153] leads to simple and direct indicator layers for the determination of the activity of oxidases (e.g. for lactate, glutamate, glucose oxidase, hypoxanthine, peroxidase) e.g. about oxygen consumption.
Im Gegensatz zu älteren Selektivitätsprinzipien, welche aus 2 Schichten bestehen, die nach den vorne beschriebenen, nachteiligen Stand der Technik-Verfahren hergestellt wurden, ist das Einschichtsystem effizienter und daher robuster gegenüber variablem 02~Druck. Amperometrische BiosensorenIn contrast to older selectivity principles, which consist of 2 layers, which were produced according to the disadvantageous state of the art processes described above, the single-layer system is more efficient and therefore more robust against variable 02 pressure. Amperometric biosensors
Bestandteil der selektiven Schichtstruktur eines amperometrischen Biosensors ist z.B. eine Paste, welche einen organischen Mediator als Elektronentransfer- Katalysator enthält und ge äss Korell, U.; Spichiger, U.E. Electroanalysis 6 (1994) 305-315; Korell, U.; Spichiger, U.E. Anal. Chem. 66 (1994) 510-515 herstellbar ist. Das Redox-aktive Enzym wird in die "Paste" einge- bracht und zeigt in dieser Umgebung eine optimale Lebensdauer. Der Bulk der "Paste" dient dabei als Reservoir aus welchem aktives Enzym nachgeliefert werden kann. Die "Paste" kann in die dafür vorgesehen Aussparung ins Kopfteil des Sensormoduls eingebracht werden (siehe Figuren 1 und 3) . Die Oberfläche bildet das Sensorfeld wo Probe und selektive Schichtstruktur miteinander in Kontakt stehen. Vorzugsweise ist die Paste hochviskos bis elastisch, so dass sie direkt als Tablette vorliegt, oder sie wird mittels eines Trägers in auswechselbare Tablettenform ge- bracht.Part of the selective layer structure of an amperometric biosensor is e.g. a paste which contains an organic mediator as an electron transfer catalyst and according to Korell, U .; Spichiger, U.E. Electroanalysis 6 (1994) 305-315; Korell, U .; Spichiger, U.E. Anal. Chem. 66 (1994) 510-515 can be produced. The redox-active enzyme is introduced into the "paste" and shows an optimal lifespan in this environment. The bulk of the "paste" serves as a reservoir from which active enzyme can be supplied. The "paste" can be introduced into the recess provided for this purpose in the head part of the sensor module (see FIGS. 1 and 3). The surface forms the sensor field where the sample and the selective layer structure are in contact with each other. The paste is preferably highly viscous to elastic, so that it is present directly as a tablet, or it is brought into exchangeable tablet form by means of a carrier.
Gl ucose-BestimmungGlucose determination
Eine Paste, welche 20 Gew.-% Glucose-Oxidase (GOD EC 1.1.3.4) in Siliconoel/TTF/TCNQ enthält konnte über 2.5 Monate kontinuierlich betrieben werden (Standard-Parameter: T 25°C; Arbeitsspannung U = +200 bis -200 mV; Puffer: 50 mM I idazol/ 50 mM NaCl, pH 7.0; Flussrate (Förderrate der Peristaltikpumpe : 0.025ml/min) . Der dyna- mische Messbereich eines solchen Moduls im erfindungsge- mässen kontinuierlichen System erwies sich als gut geeignet im Konzentrationsbereich von ca. 1 bis 100 mM (U= - 100mV gegenüber SCE) , mit der rotierenden Stabelektrode liegt die Detektionsgrenze bei 1 μM (200mV, 25Hz) . Die Paste kann auch für die Massenproduktion auf einem Trä- germateriel (vorzugsweise dem Elektrodenmaterial) aufgedruckt werden und stückweise als selektive Schichtstruk- tur für die Belegung des Sensorfeldes verwendet werden. Anstelle von Siliconoel sind weitere Bulkmaterialien (vergl. potentiometrische Ionen-selektive Membranen) verwendbar. Zur Erhöhung der Viskosität und mechanischen Ro- bustheit wird ein Hilfstoff, z.B. ein Polymer wie PVC, ins Silikonoel eingebracht.A paste containing 20% by weight glucose oxidase (GOD EC 1.1.3.4) in silicone oil / TTF / TCNQ could be operated continuously for 2.5 months (standard parameters: T 25 ° C; working voltage U = +200 to - 200 mV; buffer: 50 mM I idazole / 50 mM NaCl, pH 7.0; flow rate (delivery rate of the peristaltic pump: 0.025 ml / min.) The dynamic measuring range of such a module in the continuous system according to the invention proved to be well suited in the concentration range from 1 to 100 mM (U = - 100mV compared to SCE), with the rotating stick electrode the detection limit is 1 μM (200mV, 25Hz) The paste can also be printed on a carrier material (preferably the electrode material) for mass production and piece by piece as a selective layer structure be used for the assignment of the sensor field. Instead of silicone oil, other bulk materials (see potentiometric ion-selective membranes) can be used. To increase the viscosity and mechanical robustness, an auxiliary, for example a polymer such as PVC, is introduced into the silicone oil.
Anhand eines Phosphat -selektiven Sensors konnte gezeigt werden, dass auch die Herstellung einer bienzymatischen Schicht, in welcher zwei Enzyme in die- selbe Schicht eingebracht werden, möglich ist [vgl. Müller, J.P.; Entwicklung eines phosphatsensi tiven bienzyma- tischen-amperometrsichen Biosensors . Diplomarbeit ETHZ, 1994]. Das Phosphat-selektive Sensorelement enthält 1 Teil TTF/TCNQ (Tetrathiafulvalen-p-tetracyanochino- dimethan) hergestellt nach Ferraris et al. [J. Am. Chem. Soc. 95 (1973) 948] in 1.6 Teilen Siliconoel. Mit dieser fein zerriebenen Paste werden z.B. 3.18 Gew.-% Xanthin- Oxidase (EC 1.1.3.2) und 4.35 Gew.-% Nucleosid-Phosphor- ylase (EC 2.4.2.1.) entsprechend 7.53 Gew.-% Gesamtlyo- philisat-Gehalt vermischt. Die Paste wird in die dafür vorgesehene Aussparung (Sensorfeld) eine modulare Stabelektrode eingebracht und diese in der Anordnung einer drehenden Scheibenelektrode geprüft. Die Paste wird bei -30°C gelagert. Vor der Kalibration und Prüfung der Elek- trode wird diese in einer Pufferlösung pH 7.0, welche 50 mmol L~ Imidazol, 50 mmol L~l Natriumchlorid und 1.2 mmol L~l Inosin enthält, 16 h konditioniert . Für die Funktionsprüfung wird dieser Pufferlösung alle 2 Minuten ein Inkrement Phosphatlösung zugefügt, das zu einer Kon- zentrationserhöhung um 1.0 μmol L~l bzw. 5 μmol L-1 Phosphat führt. Die Aenderung des Anoden-Stromes wird bei einer Rotationsfrequenz von 25.0 ± 0.05 Hz gemessen. Die Konzentrationsänderung konnte bei einer angelegten Spannung von -50.010.2 mV innert <15s gemessen werden. Alle drei vorgestellten Sensorelemente können gleicherweise als stabförmige Modultypen konstruiert und z.B. in einer Sonde vereint in einen Reaktor eingebracht oder in-line mit dem Reaktor verbunden werden. Jedes Sy¬ stem kann mehrere Module eines Typs in Kombination mit Modulen eines anderen Typs umfassen. Die mehreren Module des gleichen Typs können sich beispielsweise durch ver- schiedene Erkennungskomponenten unterscheiden. Die Verarbeitung der aus den einzelnen Modulen austretenden Signale resp. die Ausgabe des Messresultats erfolgt nach bekannten Verfahren. So kann beispielsweise über eine Ableitvorrichtung mindestens eine Messgrösse aus einem Messmodul oder eine Bezugsgrösse aus dem Referenzmodul auf eine Vorrichtung zur Verarbeitung der Messgrössen ableiten wird, derart, dass die Messgrösse zur Prozesssteuerung verwendet werden kann.Using a phosphate-selective sensor, it could be shown that it is also possible to produce a bienzymatic layer in which two enzymes are introduced into the same layer [cf. Müller, JP; Development of a phosphate-sensitive bienzymatic-amperometric biosensor. Diploma thesis ETHZ, 1994]. The phosphate-selective sensor element contains 1 part of TTF / TCNQ (tetrathiafulvalene-p-tetracyanoquinodimethane) manufactured according to Ferraris et al. [J. At the. Chem. Soc. 95 (1973) 948] in 1.6 parts of silicone oil. With this finely ground paste, for example, 3.18% by weight xanthine oxidase (EC 1.1.3.2) and 4.35% by weight nucleoside phosphorylase (EC 2.4.2.1.) Correspond to 7.53% by weight total lyophilizate content mixed. The paste is inserted into the recess (sensor field) provided for this purpose, a modular stick electrode and this is checked in the arrangement of a rotating disk electrode. The paste is stored at -30 ° C. Before the electrode is calibrated and tested, it is conditioned for 16 h in a pH 7.0 buffer solution containing 50 mmol L ~ imidazole, 50 mmol L ~ l sodium chloride and 1.2 mmol L ~ l inosine. For the functional test, an increment of phosphate solution is added to this buffer solution every 2 minutes, which leads to a concentration increase of 1.0 μmol L ~ l or 5 μmol L -1 phosphate. The change in anode current is measured at a rotation frequency of 25.0 ± 0.05 Hz. The change in concentration could be measured within <15s with an applied voltage of -50.010.2 mV. All three sensor elements presented can equally be constructed as rod-shaped module types and, for example, combined in a probe and introduced into a reactor or connected in-line to the reactor. Each Sy stem ¬ can be several modules include a different type of one type in combination with modules. The several modules of the same type can differ, for example, by different recognition components. The processing of the signals emerging from the individual modules, respectively. The measurement result is output using known methods. For example, a derivation device can be used to derive at least one measurement variable from a measurement module or a reference variable from the reference module to a device for processing the measurement variables, such that the measurement variable can be used for process control.
Die Information über die Substanz wird gewon- nen, beispielsweise als Menge, Konzentration resp. Konzentrationsänderung, als Zählresultat, Zeit, Aktivität oder aktive Molalität.The information about the substance is obtained, for example as amount, concentration or. Change in concentration, as counting result, time, activity or active molality.
Das System eignet sich zur Bestimmung anorganischer und organischer Ionen, geladener, ungeladener oder neutraler Moleküle, Salze, Isotope, Radikale, Zellen oder Zellbestandteile, Organismen, Mikroorganismen, Viren, Organellen, oder Rezeptoren und ist verwendbar in der medizinischen Diagnostik und Behandlung, in der Dialyse und Haemodialyse, in der klinischen Analytik, in der Umwelttechnik, Bautechnik, Reinraumtechnik, Abwasser-,The system is suitable for the determination of inorganic and organic ions, charged, uncharged or neutral molecules, salts, isotopes, radicals, cells or cell components, organisms, microorganisms, viruses, organelles, or receptors and can be used in medical diagnostics and treatment, in the Dialysis and hemodialysis, in clinical analysis, in environmental technology, construction technology, clean room technology, waste water,
Grund- und Trinkwasserkontrolle, in der Lebensmitteltechnologie und -produktion, in der Agrartechnologie, insbe- sonder in der Hors-sol-Kultur-Technik, in der Lebensmitteltechnologie, in der Biotechnologie und der chemischen Prozesstechnik, in der Pharmaforschung und -produktion, der Arzneimitteltechnologie und der Arzneimittelkontrolle, sowie in der Textiltechnik und in der Waschmittel- und Reinigungs- und Tensidtechnologie .Groundwater and drinking water control, in food technology and production, in agricultural technology, in particular in horssol culture technology, in food technology, in biotechnology and chemical process technology, in pharmaceutical research and production, in drug technology and drug control, as well as in textile technology and in detergent and cleaning and surfactant technology.
Die selektiven Schichtstrukturen können in diversen Dicken vorliegen. Durch die Auswechselbarkeit können sie somit leicht für spezielle Anwendungen optimiert werden. Die Abdichtung zwischen Schichtstruktur und Probekanal erfolgt üblicherweise lediglich durch Dichtungen, z.B. aus Kunststoff, und Anpressen der Schichtstruktur mittels des Kopfteils resp. Ableitelementes auf diese Dichtung. Die Verwendung von selektiven Schichtstrukturen führt dazu, dass ohne Reagentien gearbeitet werden kann. In vielen Fällen wird eine Verdünnung und Pufferung des Specimens nötig sein. The selective layer structures can be in various thicknesses. Due to the interchangeability, they can easily be optimized for special applications. The seal between layer structure and Test channel is usually done only through seals, for example made of plastic, and pressing the layer structure by means of the head part, respectively. Discharge element on this seal. The use of selective layer structures means that it is possible to work without reagents. In many cases it will be necessary to dilute and buffer the specimen.

Claims

Patentansprüche claims
1. Modulares System zur kontinuierlichen rea- gentienfreien Bestimmung mindestens einer Substanz, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens zwei Messmodule1. Modular system for the continuous reagent-free determination of at least one substance, characterized in that it has at least two measurement modules
(I, II, III) gleichen oder verschiedenen Modultyps zur simultanen Gewinnung von mindestens zwei Informationen im Durchfluss aufweist, wobei jedes Modul mindestens eine auswechselbare selektive Schichtstruktur (8) und eine Ableitvorrichtung (12) enthält, wobei die Schichtstruktur (8) einen selektiven Erkennungsschritt ermöglicht und eine kontinuierliche Messung zulässt(I, II, III) of the same or different module types for the simultaneous acquisition of at least two pieces of information in the flow, each module containing at least one interchangeable selective layer structure (8) and a discharge device (12), the layer structure (8) having a selective detection step enables and allows a continuous measurement
2. Modulares System gemäss Anspruch 1, da- durch gekennzeichnet, dass es mehrdimensional ist, d.h.2. Modular system according to claim 1, characterized in that it is multidimensional, i.e.
Messmodule (I, II, III) mindestens zweier Modultypen umfasst .Measuring modules (I, II, III) comprises at least two module types.
3. Modulares System gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmodule ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend potentiometrische, voltam- metrische, amperometrische und optische Module.3. Modular system according to claim 1 or 2, characterized in that the measuring modules are selected from the group comprising potentiometric, voltammetric, amperometric and optical modules.
4. Modulares System gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messmodul als chemisch selektive Halbzelle ausgebildet ist und ein weiteres Modul als Referenzzelle (13) .4. Modular system according to one of claims 1 to 3, characterized in that a measuring module is designed as a chemically selective half-cell and another module as a reference cell (13).
5. Modulares System gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul einen Kanal (9) für den Durchfluss der Probe enthält, derart, dass das Innere des Probekanals (9) mit der selektiven Schichtstruktur (8) des jeweiligen Moduls in direktem Kontakt steht.5. Modular system according to one of claims 1 to 4, characterized in that the module contains a channel (9) for the flow of the sample, such that the interior of the sample channel (9) with the selective layer structure (8) of the respective module is in direct contact.
6. Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung mindestens einer Substanz unter Verwendung eines modula- ren Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge- kennzeichnet, dass mittels mindestens zweier Messmodule gleichen oder verschiedenen Modultyps mindestens eine Messgrösse ermittelet wird, wobei eine selektive Schichtstruktur je Modul einen selektiven Erkennungsschritt ermöglicht, dass der Erkennungsschritt mit mindestens einem Transduktionsschritt verbunden ist, der zur Bildung einer Messgrösse führt, dass die Messgrösse über mindestens eine Ableitvorrichtung abgeleitet wird und dass die Ableitung der Messgrösse zu mindestens einem Teil der Information über die Substanz führt.6. A method for the continuous determination of at least one substance using a modular system according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least one measurement variable is determined by means of at least two measurement modules of the same or different module types, a selective one Layer structure for each module enables a selective recognition step that the recognition step is connected to at least one transduction step that leads to the formation of a measurement variable, that the measurement variable is derived via at least one derivation device, and that the derivation of the measurement variable leads to at least some of the information about the substance .
7. Verfahren gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Ableitvorrichtung min- destens eine Messgrösse aus einem Messmodul oder eine Be- zugsgrösse aus dem Referenzmodul auf eine Vorrichtung zur Verarbeitung der Messgrössen ableitet, derart, dass die resultierende Information zur Prozesssteuerung verwendet werden kann. 7. The method according to claim 6, characterized in that at least one derivation device derives at least one measurement variable from a measurement module or a reference variable from the reference module to a device for processing the measurement variables, such that the resulting information can be used for process control .
8. Verwendung des Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Bestimmung anorganischer und organischer Ionen, geladener, ungeladener oder neutraler Moleküle, Salze, Isotope, Radikale, Zellen oder Zellbestandteile, Organismen, Mikroorganismen, Viren, Organellen, oder Rezeptoren.8. Use of the system according to one of claims 1 to 5 for the determination of inorganic and organic ions, charged, uncharged or neutral molecules, salts, isotopes, radicals, cells or cell components, organisms, microorganisms, viruses, organelles, or receptors.
9. Verwendung gemäss Anspruch 8 in der medizinischen Diagnostik und Behandlung, in der Dialyse und Haemodialyse, und in der klinischen Analytik.9. Use according to claim 8 in medical diagnosis and treatment, in dialysis and hemodialysis, and in clinical analysis.
10. Verwendung gemäss Anspruch 8 in der U - welttechnik, Bautechnik, Reinraumtechnik, Abwasser-,10. Use according to claim 8 in environmental technology, construction technology, clean room technology, waste water,
Grund- und Trinkwasserkontrolle, in der Textiltechnik und in der Waschmittel- und Reinigungs- und Tensidtechnolo- gie .Groundwater and drinking water control, in textile technology and in detergent and cleaning and surfactant technology.
11. Verwendung gemäss Anspruch 8 in der Le- bensmitteltechnologie und -produktion, in der Agrartech- nologie, insbesonder in der Hors-sol-Kultur-Technik, in der Lebensmitteltechnologie, in der Biotechnologie und der chemischen Prozesstechnik, in der Pharmaforschung und -produktion, der Arzneimitteltechnologie und der Arznei- mittelkontrolle .11. Use according to claim 8 in food technology and production, in agricultural technology, in particular in horssol culture technology, in food technology, in biotechnology and chemical process technology, in pharmaceutical research and production , drug technology and drug control.
12. Modul, dadurch gekennzeichnet, dass es eine auswechselbare selektive Schichtstruktur (8), eine Ableitvorrichtung (12) und einen Körper des Ableitelements (14) aufweist.12. Module, characterized in that there is an interchangeable selective layer structure (8), a Diverter device (12) and a body of the diverter element (14).
13. Modul gemäss Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es eine von der Ableitvorrichtung (12) ge- trennt vorliegende Schichtstruktur (8) aufweist und dass auch die Ableitvorrichtung (12) zusammen mit oder separat von dessen Körper (14) auswechselbar ist.13. Module according to claim 12, characterized in that it has a layer structure (8) present separately from the diverter (12) and that the diverter (12) can also be replaced together with or separately from its body (14).
14. Modul gemäss Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Durchflusskanal (9) auf- weist und dass die Schichtstruktur (8) dicht mit diesem Durchflusskanal (9) für die Probe verbunden ist.14. Module according to claim 12 or 13, characterized in that it has a flow channel (9) and that the layer structure (8) is tightly connected to this flow channel (9) for the sample.
15. Modul gemäss einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Probenkanal (9) aufweist, der mindestens zonenweise aus der Gegenelektro- de besteht.15. Module according to one of claims 12 to 14, characterized in that it has a sample channel (9) which consists at least in zones of the counterelectrode.
16. Modul gemäss einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es ein optisches Modul ist.16. Module according to one of claims 12 to 14, characterized in that it is an optical module.
17. Modul gemäss Anspruch 16, dadurch gekenn- zeichnet, dass die selektive Schichtstruktur (8) mindestens einen Liganden ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus N,N-disubstituierten aminophenyl-4' -trifluoroacetyl- azobenzolen, N, N-disubstituierten-aminonaphthalin-4' - trifluoroacetyl-azobenzolen, 4-Trifluoracetyl-4' - (N,N- disubstituerte-amino) stilbene und disubstituiertes p- amino-trifluoracetylstilbene enthält .17. Module according to claim 16, characterized in that the selective layer structure (8) at least one ligand selected from the group consisting of N, N-disubstituted aminophenyl-4 '-trifluoroacetyl-azobenzenes, N, N-disubstituted-aminonaphthalene Contains 4 '- trifluoroacetyl-azobenzenes, 4-trifluoroacetyl-4' - (N, N-disubstituted-amino) stilbenes and disubstituted p-amino-trifluoroacetylstilbenes.
18. Modul gemäss Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die selektive Schichtstruktur mindestens einen Komplex eines 4, 7-Diphenyl-l, 10- phenanthrolins mit Ruthenium oder Lanthaniden enthält, der am Phenylrest lipophil substituiert ist, besonders in 4' -Position mit einem Alkylrest, vorzugsweise einem Propyl- bis Dodecyl-, insbesondere einem Propyl- bis Heptyl- rest . 18. Module according to claim 16 or 17, characterized in that the selective layer structure contains at least one complex of a 4, 7-diphenyl-l, 10-phenanthroline with ruthenium or lanthanides which is lipophilically substituted on the phenyl radical, especially in the 4 'position with an alkyl radical, preferably a propyl to dodecyl, in particular a propyl to heptyl radical.
19. Verwendung von symmetrischen Membranen und einer symmetrischen Anordnung/Konfiguration der Mess- zelle für kalibrationsfreie Messungen in Systemen nach einem der Ansprüche 1 bis 5.19. Use of symmetrical membranes and a symmetrical arrangement / configuration of the measurement Cell for calibration-free measurements in systems according to one of claims 1 to 5.
20. Verwendung von symmetrischen Membranen und einer symmetrischen Anordnung/Konfiguration der Mess- zelle zur Herstellung von Referenzmaterialien für die Bestimmung der molalen Aktivität von Ionen zur Qualitätssicherung, insbesondere in Systemen nach einem der Ansprüche 1 bis 5.20. Use of symmetrical membranes and a symmetrical arrangement / configuration of the measuring cell for the production of reference materials for the determination of the molar activity of ions for quality assurance, in particular in systems according to one of claims 1 to 5.
21. N, N-disubstiuierte-aminophenyl-4' -tri- fluoracetyl-azobenzole, N,N-disubstituierte-aminonaphtha- lin-4' -trifluoracetyl-azobenzole, 4-Trifluoracetyl-4' - (N,N-disubstituierte-amino) stilbene und disubstituierte- p-amino-trifluoracetylstilbene, wobei die Substituenten lipophil sind, insbesondere zur Verwendung als chromogene Liganden in Modulen nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 12 bis 18.21. N, N-disubstituted-aminophenyl-4 '-trifluoroacetyl-azobenzenes, N, N-disubstituted-aminonaphthalene-4' -trifluoroacetyl-azobenzenes, 4-trifluoroacetyl-4 '- (N, N-disubstituted- amino) stilbenes and disubstituted-p-amino-trifluoroacetylstilbenes, the substituents being lipophilic, in particular for use as chromogenic ligands in modules according to one of Claims 1 to 5 and 12 to 18.
22. Komplex eines am Phenylrest lipophil substituierten 4, 7-Diphenyl-l, 10-phenanthrolins mit Ruthenium oder Lanthaniden, insbesondere zur optischen Sauer- stoffbestimmung in Messystemen resp. Modulen nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 12 bis 18.22. Complex of a 4, 7-diphenyl-l, 10-phenanthroline substituted lipophilically on the phenyl radical with ruthenium or lanthanides, in particular for optical oxygen determination in measuring systems or. Modules according to one of claims 1 to 5 and 12 to 18.
23. Verwendung eines Moduls nach einem der Ansprüche 12 bis 15, das eine enzym- und mediatorhaltige Paste aufweist, zur amperometrischen Bestimmung von Phos- phat . 23. Use of a module according to one of claims 12 to 15, which has an enzyme and mediator-containing paste, for the amperometric determination of phosphate.
PCT/IB1998/000044 1997-01-14 1998-01-13 Modular sensor system for the industrial process measurement technique WO1998030892A1 (en)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AU79952/98A AU7995298A (en) 1997-01-14 1998-01-13 Modular sensor system for the industrial process measurement techniq ue
DK98900040T DK0953150T3 (en) 1997-01-14 1998-01-13 Modular sensor system for the process measurement technique
DE59806935T DE59806935D1 (en) 1997-01-14 1998-01-13 MODULAR SENSOR SYSTEM FOR PROCESS MEASUREMENT
EP98900040A EP0953150B1 (en) 1997-01-14 1998-01-13 Modular sensor system for the industrial process measurement technique
US09/341,481 US6409909B1 (en) 1997-01-14 1998-01-13 Modular sensor system for the industrial process measurement technique

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CH64/97 1997-01-14
CH00064/97A CH692120A5 (en) 1997-01-14 1997-01-14 Multidimensional modular sensor apparatus for process measurement technology.

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO1998030892A1 true WO1998030892A1 (en) 1998-07-16

Family

ID=4178487

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/IB1998/000044 WO1998030892A1 (en) 1997-01-14 1998-01-13 Modular sensor system for the industrial process measurement technique

Country Status (8)

Country Link
US (1) US6409909B1 (en)
EP (1) EP0953150B1 (en)
AU (1) AU7995298A (en)
CH (1) CH692120A5 (en)
DE (1) DE59806935D1 (en)
DK (1) DK0953150T3 (en)
ES (1) ES2190810T3 (en)
WO (1) WO1998030892A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10336912A1 (en) * 2003-08-07 2005-03-10 Guenter Schierjott gauge

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6749811B2 (en) 1998-04-28 2004-06-15 The Johns Hopkins University Molecularly imprinted polymer solution anion sensor
AU4733601A (en) * 2000-03-10 2001-09-24 Cyrano Sciences Inc Control for an industrial process using one or more multidimensional variables
ITBO20010644A1 (en) * 2001-10-19 2003-04-19 Tecnologie Dinamiche S A S Di DEVICE FOR THE DETECTION OF THE PRESENCE OF CHLORINE IN DUCTED FLUIDS ALONG A DUCT
DE10214713A1 (en) * 2002-04-03 2003-10-30 C Cit Ag Waedenswill Device and method for carrying out and continuously monitoring chemical and / or biological reactions
DE10251893A1 (en) * 2002-11-07 2004-05-19 C-Cit Ag Optical sensor, for quantitative measurement of enzyme activities, has a transparent layer on a carrier with a grid between them to switch electromagnetic waves on/off as a disposable chip
EP1482298A1 (en) * 2003-05-26 2004-12-01 Sensorix Arrangement for continuous determination of a substance
TWI234284B (en) * 2004-08-30 2005-06-11 Univ Nat Yunlin Sci & Tech Manufacturing method of tin-oxide extending-type gate ion sensitive transistor, and the related detection circuit and read circuit
US7507374B2 (en) * 2005-06-28 2009-03-24 American Bio Medica Corp. Saliva sample testing device
TWI279539B (en) * 2005-11-01 2007-04-21 Univ Nat Yunlin Sci & Tech Biosensor containing ruthenium, and measurement using the same and the application thereof
TWI302197B (en) * 2006-01-04 2008-10-21 Univ Nat Yunlin Sci & Tech Reference ph sensor, the preparation and application thereof
US8496879B2 (en) 2006-02-08 2013-07-30 Molecular Devices, Llc Optical detection utilizing cartridge with tunable filter assembly
US8119066B2 (en) * 2006-02-08 2012-02-21 Molecular Devices, Llc Multimode reader
US8968658B2 (en) 2006-02-08 2015-03-03 Molecular Devices, Llc Luminescence measurement utilizing cartridge with integrated detector
US7861608B2 (en) * 2006-06-03 2011-01-04 Pendotech Universal sensor fitting for process applications
US8302496B2 (en) * 2006-06-03 2012-11-06 Eldon James Corporation Universal sensor fitting for process applications
CN101765767B (en) * 2007-06-29 2013-06-12 代表亚利桑那大学的亚利桑那校董会 Electrochemical detection of silica species
EP2263079B1 (en) * 2008-04-04 2020-01-08 Arizona Board of Regents on behalf of Arizona State University Simultaneous electrochemical detection of multiple heavy metal ions in liquid
US8652313B2 (en) * 2009-09-18 2014-02-18 Hitachi Chemical Company, Ltd. Ion selective electrode cartridge
CN109844512B (en) 2016-10-18 2022-05-24 开利公司 Electrochemical sensor comprising an internal reference cell
DE102018200646A1 (en) * 2018-01-16 2019-07-18 Berthold Technologies Gmbh & Co. Kg System for measuring optical properties of samples

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0335859A2 (en) * 1988-03-28 1989-10-04 AVL Medical Instruments AG Device for determining components in a sample
EP0385964A2 (en) * 1989-01-27 1990-09-05 AVL Medical Instruments AG Biosensor array
EP0467479A1 (en) * 1990-07-17 1992-01-22 Priva Agro Holding B.V. Device for measuring the concentration of a chemical substance in fluid
EP0509791A1 (en) * 1991-04-18 1992-10-21 Becton, Dickinson and Company Microbial monitoring device
DE4114959A1 (en) * 1991-05-08 1992-11-12 Tridelta Ag Nitrate ion concn. measuring probe - has temp. sensor for temp. compensation of probe output signal
EP0514575A1 (en) * 1991-05-24 1992-11-25 Werner Riemann Analysis-module
EP0723020A1 (en) * 1995-01-23 1996-07-24 BARILLA G. e R. F.lli - Società per Azioni A method for the determination of organophosphoric pesticides in materials of vegetable origin

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4071427A (en) * 1976-11-17 1978-01-31 Curators Of The University Of Missouri Arsenite electrode
AT379318B (en) * 1983-11-08 1985-12-27 Avl Verbrennungskraft Messtech METHOD FOR PRODUCING OR REGENERATION OF A SILICONE POLYMER MEMBRANE
US5571396A (en) * 1993-07-12 1996-11-05 Dade International Inc. Fluid analysis system and sensing electrode, electrode assembly, and sensing module components
US5462880A (en) * 1993-09-13 1995-10-31 Optical Sensors Incorporated Ratiometric fluorescence method to measure oxygen
US5736103A (en) * 1996-08-09 1998-04-07 Lifescan, Inc. Remote-dosing analyte concentration meter

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0335859A2 (en) * 1988-03-28 1989-10-04 AVL Medical Instruments AG Device for determining components in a sample
EP0385964A2 (en) * 1989-01-27 1990-09-05 AVL Medical Instruments AG Biosensor array
EP0467479A1 (en) * 1990-07-17 1992-01-22 Priva Agro Holding B.V. Device for measuring the concentration of a chemical substance in fluid
EP0509791A1 (en) * 1991-04-18 1992-10-21 Becton, Dickinson and Company Microbial monitoring device
DE4114959A1 (en) * 1991-05-08 1992-11-12 Tridelta Ag Nitrate ion concn. measuring probe - has temp. sensor for temp. compensation of probe output signal
EP0514575A1 (en) * 1991-05-24 1992-11-25 Werner Riemann Analysis-module
EP0723020A1 (en) * 1995-01-23 1996-07-24 BARILLA G. e R. F.lli - Società per Azioni A method for the determination of organophosphoric pesticides in materials of vegetable origin

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10336912A1 (en) * 2003-08-07 2005-03-10 Guenter Schierjott gauge

Also Published As

Publication number Publication date
ES2190810T3 (en) 2003-08-16
DK0953150T3 (en) 2003-05-12
EP0953150B1 (en) 2003-01-15
CH692120A5 (en) 2002-02-15
EP0953150A1 (en) 1999-11-03
AU7995298A (en) 1998-08-03
DE59806935D1 (en) 2003-02-20
US6409909B1 (en) 2002-06-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0953150B1 (en) Modular sensor system for the industrial process measurement technique
Zdrachek et al. Potentiometric sensing
Spichiger-Keller Chemical sensors and biosensors for medical and biological applications
Solsky Ion-selective electrodes
El-Maali Voltammetric analysis of drugs
Ngamchuea et al. Understanding electroanalytical measurements in authentic human saliva leading to the detection of salivary uric acid
DE102005003911B4 (en) Method for measuring the concentration or concentration change of a redox-active substance and associated device
CN1412560A (en) Device for analyte concentration detection and method using said device
Javanbakht et al. A selective and sensitive voltammetric sensor based on molecularly imprinted polymer for the determination of dipyridamole in pharmaceuticals and biological fluids
EP2794909B1 (en) Method for determining the concentration of an analyte
Rouhollahi et al. Electrically stimulated liquid phase microextraction combined with differential pulse voltammetry: a new and efficient design for in situ determination of clozapine from complicated matrices
Sheikh et al. Advances in therapeutic monitoring of lithium in the management of bipolar disorder
DE60216626T2 (en) AMPEROMETRIC SENSOR
EP2843406B1 (en) Diagnostic product comprising test strips with an enzyme and a stabilising coenzyme
David et al. Novel voltammetric investigation of dipyridamole at a disposable pencil graphite electrode
DE102005037436A1 (en) Method and system for determining the concentration of an analyte-enzyme complex or analyte-enzyme conjugate, in particular for the electrochemical detection of the analyte, and associated measuring device
Pandey et al. Studies on differential sensing of dopamine at the surface of chemically sensitized ormosil-modified electrodes
Moya et al. Miniaturized multiparametric flexible platform for the simultaneous monitoring of ionic: Application in real urine
Baig et al. Selective electrochemical sensing of cefixime by silver nanoparticle amalgam paste microelectrode
Pan et al. Determination of difenidol hydrochloride by capillary electrophoresis with electrochemiluminescence detection
RU2235998C2 (en) Method of determination of oxidant/anti-oxidant activity of solutions
Rabie et al. A novel sensor based on calcium oxide fabricated from eggshell waste conjugated with L-serine polymer film modified carbon paste electrode for sensitive detection of moxifloxacin in human serum and pharmaceutical constituents
DD283683A5 (en) METHOD AND APPARATUS FOR AMPEROMETRIC DIAGNOSTIC ANALYSIS
Budnikov Biomedical aspects of electrochemical methods of analysis
Altun et al. Development and Validation of Voltammetric Techniques for Nabumetone in Pharmaceutical Dosage Form, Human Serum and Urine.

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BY CA CH CN CU CZ DE DK EE ES FI GB GE GH GM GW HU ID IL IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MD MG MK MN MW MX NO NZ PL PT RO RU SD SE SG SI SK SL TJ TM TR TT UA UG US UZ VN YU ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): GH GM KE LS MW SD SZ UG ZW AT BE CH DE DK ES FI FR GB GR IE

DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1998900040

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 09341481

Country of ref document: US

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 1998900040

Country of ref document: EP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP

Ref document number: 1998530689

Format of ref document f/p: F

REG Reference to national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: 8642

WWG Wipo information: grant in national office

Ref document number: 1998900040

Country of ref document: EP